Air merupakan salah satu zat yang melimpah, menjadi unsur dan pendukung utama kehidupan, di muka bumi. Seluruh makhluk hidup secara alamiah tersusun atas beragam zat, dan zat penyusun yang paling besar adalah air. Sekitar 70 – 80 % berat mahluk hidup dikontribusikan oleh air. Beberapa fenomena alam yang lain juga tidak bisa dipisahkan dari esensi air. Perubahan ekspresi seseorang, warna daun, warna batuan (tanah) dapat terjadi karena peran air yang konsentrasi dan fasanya berubah secara dinamis. Bahkan iklim di atmosfer permukaan bumi dan distribusi zat di muka bumi sangat dipengaruhi siklus air, yang sebenarnya adalah siklus perubahan fasa air atau perubahan wujud air.
Gambar Perubahan Fasa dan Prosesnya
Perubahan air di alam dari padat (es), mencair (air), menjadi gas (uap) dan kembali menjadi padat, berlangsung terus menerus dan dinamis [1], dikenal dengan siklus air (siklus hidrologi). Siklus ini menyebabkan transport semua zat esensial dan distribusi energi untuk semua mahluk hidup. Sifat air yang hampir melarutkan semua zat (pelarut universal) menjadi kontributor utama perputaran materi dan energi dalam siklus perubahan wujudnya. Perubahan wujud air, merupakan desain yang sangat unik dari Tuhan untuk kehidupan.
Tahukah Anda?
Bahwa perubahan wujud air adalah kunci keberlanjutan kehidupan di alam. Dalam siklus perubahan fisika, hampir semua zat, ketika suhu diturunkan maka komposisi strukturnya akan lebih rapat. Perubahan kerapatan struktur ini menyebabkan perubahan berat jenis zat menjadi lebih besar [2]. Ketika suhu turun, energi keluar dari sistem zat menyebabkan molekul bergetar lebih lambat dan menata lebih rapat. Volume zat menyusut [1]. Padatan suatu zat menjadi lebih berat dari lelehan zat itu sendiri. Potongan besi mempunyai densitas lebih besar daripada lelehan besi. Padatan aluminium lebih berat dari lelehannya. Fenomena ini berlaku umum hampir pada semua zat. Sehingga hampir seluruh padatan akan tenggelam jika dimasukkan ke lelehannya (fasa cair zat itu sendiri). Jika kita memasukkan batang besi ke dalam lelehan besi panas, maka batang besi tersebut akan tenggelam dan menuju dasar, dan mungkin ikut meleleh karena panas. Batang aluminium jika dimasukkan ke lelehan aluminium juga akan tenggelam.
Desain Unik Air
Air didesain unik (sering dinyatakan sebagai “anomali atau penyimpangan”), pada saat berbentuk es (suhu lebih rendah) struktur penataan molekulnya lebih terbuka sehingga kerapatannya akan lebih rendah daripada air 4 C. Fasa cair air mempunyai densitas lebih besar dari fasa padatnya (es) [3]. Hukum alam menyatakan penataan zat densitas besar cenderung di bawah (secara gravitasi). Maka jika suatu padatan yang densitasnya lebih rendah dari densitas cairan, maka padatan itu akan mengapung. Dalam kenyataannya, es selalu mengambang di air, dan air selalu mengambil posisi dibawah lapisan es. Jika kita memsukkan es ke dalam air, es selalu mengapung. Pernahkah anda mengamati ketika minum es teh? Semua es mengapung. Padahal es adalah padatan air, suatu fakta yang sangat bermakna secara hayati bagi makhluk air.
Anomali Air Kunci Siklus Kehidupan
Di negara dua musim, fenomena mengapungnya es pada air mungkin tidak terlalu mempengaruhi kehidupan. Tetapi di negara empat musim, fenomena ini menjadi sangat penting. Pergantian musim tidak boleh menjadi pemusnahan kehidupan. Ketika musim salju, di bawah lapisan es, kehidupan tidak boleh membeku dan bahkan metabolisme makhluk hidup harus tetap berjalan. Ini hanya mungkin terjadi jika dibagian bawah es siklus materi-energi tetap berlangsung. Bagian bawah lapisan es tidak boleh membeku. Dan ini hanya bisa terjadi jika air didesain lebih berat dari padatannya. Setiap terbentuk es, maka padatan es itu mengapung, bagian bawah tetap cair. Mekanisme ini memungkinkan air dalam fasa cair tetap menjaga suhu cukup hangat untuk kehidupan (transport materi – energi) walau di bagian atas adalah es. Bersyukurlah air mempunyai sifat yang berbeda (anomali) dengan zat-zat lain. Sementara hampir semua zat padat tenggelam dalam lelehannya, padatan air justru terapung pada lelehannya.
Bersyukurlah kita mendapati penyimpangan/anomali
Mungkin tidak bisa dibayangkan, jika air tidak mengalami anomali. Jika saja padatan air (es) lebih berat dari fasa cairnya, maka setiap kristal es yang terbentuk akan selalu tenggelam dan terus tenggelam. Ketika didapati permukaan air menjadi es (salju) maka seluruh bagian air terutama bagian dalamnya telah jauh lebih lama membeku. Dan ini berarti seluruh kehidupan di dalamnya telah membeku, seluruh mahkluk hidup didalamnya terjebak dalam es, tidak ada respirasi, tidak ada transport makanan (materi-energi), mungkin tidak ada kehidupan. Bahkan barangkali reaksi biokimia dalam sel gagal karena suhu terlalu rendah. Begitu es mencair, suhu kembali panas, yang tersisa mungkin bangkai organik dan air menjadi sangat tercemar. Kehidupan mungkin hanya berlangsung satu siklus saja. Setelahnya adalah kematian dan bangkai organik.
Referensi:
[1] Kailas, V. S. (2007). Material Science, Ch 6: Phase Diagram. abamgalore, India: Dept of Mechanical Engineering, Indian Institute of Science.
[2] Keenan, W. C., Kleinfelter, C. D., & Wood, H. J. (1980). General College Chemistry, sixth edition. Harper & Row, Publisher, Inc.
[3] Singh, S. (2007). Physical Chemistry; State of matter: Gasoeus, Liquid, and Solids. Distt Meerut: Dept of Chemistry Janta Vedic P.G. College Baraut.