నీటి కథ

మన భూమ్మీద దొరికే అనేక సహజసిద్ధ సంయోగ నదారాల (Naturally available compounds) లో నీరు ఒకటి. నీరే ప్రాణాధారం . మన శరీరంలో షుమారు 60 శాతం పైగానే నీరు ఉంటుంది. ప్రతి జీవకణంలో జరిగే జీవ రసాయనిక చర్యలన్నీ జలరసాయనిక చర్యలే (aquatic chemical reactions), మనే భూమ్మీద ఏకకాలములో అన్ని భౌతిక ప్రావస్థ (phase) ల్లో తగిన మోతాదులో దొరికే ఏకైక సంయోగ పదార్ధం నీరే అని అంటే అతిశయోక్తి కాదు.

నీరు దృవప్రాంతాలలో, ఫ్రిడ్జ్ లోన ఘన (solid} రూపంలో ఉటుంది. సముద్రాలల్లోను, నదులు, సరస్సులు, చెరువులు, నేల బొరియలు, జీవకణాలు, త్రాగునీటి బావులు, బాటిల్, శీతల పానీయాల్లో. మద్యపానీయూల్లో నీరు ద్రవ (liquid) రూపంలో ఉంటుంది. వాతావరణడు టీ కప్పులోని నీటిపైన, పంటల పై, నిశ్వాస ప్రక్రియలో, అంతర్ధహన యంత్రాల ఎక్జాస్ట్ లో, భాష్పోత్సేకం చేస్తున్న ఆకుల వద్ద, చెమట పట్టే చర్మాల మీద, నీటి బుడగ లోపల, నీటి బుగ్గల వద్ద, మరిగే నీటి మీద నీరు వాయు (gaseous) రూపంలో ఉంటుంది.

భూమి మొత్తాన్ని ఓ ద్రవ్యముద్దగా భావిస్తే అందులో (మొత్తం భూమి ద్రవ్యరాశి 6 x 10 24 కిలోలు) ఇనుము సుమారు 32% ఉంటుంది. ఆక్సీజన్ వంతు 30%, మెగ్నీషియం సుమారు 14%, గంధకము 3%, నికెల్ 2%, కాల్షియం 1.5%, అల్యూమినియం 1.4% కాగా మిగిలిన మూలకాలు చిన్నాచితకా ఉంటాయి.

భూమి పైభాగాన షుమారు 35 కిలోమీటర్ల లోతు వరకు ఉన్న పొరను భూపటలం (crust) అంటారు. మనకు అక్కరకు వచ్చే భూభాగం ఇది మాత్రమే. ఇందులోనే సముద్రాలు, ఖనిజాలు, నేల, పంటపొలాలు, అడవులు, కొండలు, జలపాతాలు, గుహలు, నదులు, పెట్రోలియం వంటి సదుపాయాలు ఉన్నాయి. మనకు కనిపించే పైపొర భూమి వైశాల్యం సుమారు 51 కోట్ల చదరపు కిలోమీటర్లు కాగా అందులో సముద్రాల ఉపరితల వైశాల్యము సుమారు 36 కోట్ల చదరపు కిలోమీటర్లు ఉంటుంది. మన ఇల్లు, నదులు, అడవులు, భవనాలు, రోడ్లు, కొండలు ఉన్న నేల భాగపు ఉపరితల వైశాల్యము కేవలం 15 కోట్ల చదరపు కిలోమీటర్లు మాత్రమే! అంటే దాదాపు 75 శాతం భూమి ఉపరితలం మీద నీరు నిగనిగలాడుతుందన్నమాట.

భూమి పైన సూర్యునికాంతి పడే భాగంలో చాలాభాగం సముద్రాలు ఉన్నాయి కాబట్టి తగినంత కాంతిశక్తి సముద్రపు నీటికి అందుతుంది. నీరు స్వతహాగా దృశ్యకాంతిని శోషించుకోదు. అందుకే అది పారదర్శకం (transparent) గా ఉంటుంది, అయితే ఇది పరారుణ కాంతిని బాగా శోషించుకుంటుంది. అందుకే మనం చూడగలిగిన దృశ్యకాంతి (VIBGYOR) కన్నా అదృశ్యకాంతి (invisible radiation) అయిన పరారుణ కాంతి (infrared radiation) వల్ల నీరు బాగా వేడెక్కుతుంది.

సముద్రపు నీరు సూర్యరశ్మిలోని పరారుణ, అరుణకాంతులని తీసుకుని సాధారణ ఉష్ణోగ్రతను పొందగలుగుతుంది. సూర్యకాంతి బాగా వడే భూమధ్యరేఖ మీదుగా చాలా న ముద్ర ఉపరితలాలు ఉండడం వల్లనే ఆ భాగంలో నీరు ద్రవరూపంలో ఉండడమే కాకుండా ఆ కాంతి సహకారంతో కొంతలో కొంత ఆవిరై మేఘాలుగా వాతావరణంలో ప్రవేశిస్తుంది. మేఘాల రూపంలోనూ, వాతావరణంలో ఆవిరి రూపంలో ఉన్న ప్రధాన దృవతత్వ పదార్ధము (polar material) నీరే.

వాతావరణంలో షుమారు 79% నైట్రోజన్, షుమారు 19% ఆక్సీజన్లు ఉండి మొత్తం దాదాపు 98%ని ఈ రెండు మూలకపదార్థాలే ఆక్రమించుకొని ఉన్నా వాటికి ధృవత్వం లేదు. కాబట్టి సౌరకాంతిలోని దృశ్యకాంతిని, పరారుణ కాంతిని, సూక్ష్మతరంగాల (microwaves) ని స్వీకరించే సత్తా వాటికి లేదు. చాలాపరిమిత స్థాయిలో కేవలం 0.4 శాతానికి మించకుండా వాయురూపంలో ధృవత్వంతో ఉన్న పదార్థాలలో నీటి ఆవిరే ప్రధానం కాబట్టి సౌరకాంతిలోని పరారుణ కాంతిని, సూక్ష్మ తరంగాలను స్వీకరించి హరిత గృహ ఫలితం (Greenhouse Effect) ద్వారా వాతావరణ ఉష్ణోగ్రతను 25 "C వద్ద ఉంచగలుగుతోంది. ఇలా భూమ్మీద ఘన, ద్రవ, వాయు రూపాల్లో ఉన్న నీటి గురించి మరింత ఎక్కువ తెలుసుకోవడానికి వచ్చే సంచికల కోసం ఎదురు చూడండి.

సాధారణ ఉష్ణోగ్రతా పీడనాల (Normal Temperature and Pressure - NTP) దగ్గర నీరు ద్రవస్థితిలో ఉండడానికి కారణం నీటి అణువులో ఉన్న రసాయనిక నిర్మాణమే! నీటి అణువు సాంకేతికం (ఫార్ములా) H 2 O అని మీకు తెలుసు. అంటే ప్రతి నీటి అణువులో కూడా ఒక ఆక్సిజన్ పరమాణువు, రెండు హైడ్రోజన్ పరమాణువులు కలిసి బంధించుకొని ఉన్నాయన్నమాట. హైడ్రోజన్ పరమాణు భారం షుమారు 1 అనీ, ఆక్సిజన్ పరమాణు భారం షుమారు 16 అని మీకు తెలుసు. దీనర్థం ఏమిటంటే ప్రతి రెండు గ్రాముల హైడ్రోజన్ వాయువుతో 16 గ్రాముల ఆక్సిజన్ ను పూర్తిగా రసాయనికంగా కలగలిపితే నీరు అనే సంయోగ పదార్థం (Compound) వస్తుందన్నమాట. అందుకే నీటి అణుభారాన్ని షుమారు 18 గా చూపిస్తాము.

నీటి అణువు H 2 O లో మూడు పరమాణువులు ఏ విధంగా అమరి ఉన్నాయి? HHO గానా? HOH గానా? అనేది చూద్దాం. HHO గా అమరివుంటే నీటి అణువులో ఉన్న రెండు హైడ్రోజన్ పరమాణువులు రసాయనికంగా వేర్వేరు లక్షణాలతో ఉన్నట్లు అర్థం. ఎందుకంటే ఒకటేమో చివర ఒకే సంధానంలో ఉండగా రెండోది మధ్యలో రెండు సంధానాలతో ఉన్నట్లు అర్థం.

కానీ ప్రయోగాల ద్వారా తెలిసిందేమిటి? ఉదజని పరమాణువు కేవలం ఒకే ఒక సమయోజనీయ బంధాన్ని (Covelant Bond) ఏర్పర్చగలదని కదా! కాబట్టి విధిగా నీటి అణువు నిర్మాణం (Molecular Structure) HOH గా ఉండాలి. ఇందువల్ల ‘H’ కు ఒక బంధాన్ని ఏర్పర్చే లక్షణం ఉన్నట్లు, 'O' కు రెండు బంధాల్ని ఏర్పర్చే లక్షణం ఉన్నట్లు తెలిసిపోతోంది. మరిక 3 పరమాణువుల సంధానించుకొంటే అవి విధిగా ఒకే ఉపరితలం (Plane) పై ఉండాలని గణితపు జ్యామితి (Geometry) ఘోషిస్తోంది.

అదిసరే! మరి 3 బిందువులు త్రికోణాకృతిలోను లేదా సరళరేఖలోను ఉండగలవు. సరళరేఖలో

H-O-H గా, 'O' దగ్గర 180 o కోణం ఉండేలా ఉన్నట్లయితే నీటి అణువులో ఉన్న ‘HO’ బంధాలు వ్యతిరేక దిశలో ఉండడం వల్ల O-H బంధంలో వేర్వేరు పరమాణువులు ఉండడం వల్ల నీటి అణువుకు నికర విద్యుధృవ భ్రామకం (Electrical Dipole Moment) ఉండేది కాదు. కానీ పరిశోధనలతో తేలిందేమిటంటే నీరు ద్రవ, వాయుస్థితులు రెండింటిలోను విద్యుధృవత్వం ఉన్న పదార్థం అని. అంటే నీటి అణువు నిర్మాణం సరళరేఖలో లేదన్నమాట.

H-O-H విధానంలో 'O' దగ్గర కోణం 90 o ఉండాలన్నట్లు ‘O’ కున్న ఎలక్ట్రాన్ల ఆర్బిటాళ్ళ నిర్మాణం తెలుపుతోంది. కానీ వాస్తవానికి 'O' దగ్గర కోణం 104 o 45 1 ఉంటుంది. . దీనికి కారణాన్ని ‘O’ మీదున్న బంధంలో పాల్గొనని రెండు ఎలక్ట్రాన్ల జతల మధ్య వికర్షణగా పేర్కొంటారు. ఇది పరిమిత వివరణ మాత్రమే!

వాస్తవానికి ఆధునిక క్వాంటం సిద్ధాంతం ప్రకారం వివరించాలి. అణు ఆర్బిటాల్ సిద్ధాంతం (Molecular Orbital Theory) అనే రసాయనిక బంధ సిద్దాంతం ద్వారా నీటి అణువుకు విడిగా ఈ వక్రనిర్మాణం ఉంటుందని రూఢీ అవుతుంది. ఆ విషయాలను మీరు వివరంగా పై తరగతుల్లో నేర్చుకుంటారు. నీటిలో ఉన్న రెండు O-H బంధాలు 104 o కోణంలో ఉండడం వల్ల నీటి అణువులకు నికర విద్యుధృవ భ్రామకం సిద్ధిస్తుంది. దీని విలువ షుమారు 1.85 డిబై ప్రమాణాలు. 'దిబై ప్రమాణం' అంటే ఏమిటో తెలుసుకోవడానికి ఈ సంచికలోనే యిచ్చిన ‘అడిగి తెలుసుకుందాం' శీర్షికను చదవండి.

దీనర్థం ఏమిటంటే నీటి అణువులో ఉన్న ప్రతి హైడ్రోజన్ పరమాణువు దగ్గర కొంత ధనావేశం, ఆక్సిజన్ పరమాణువు దగ్గర కొంత ఋణావేశం పోగు పడిందన్నమాట. విజాతి ధృవాలు పరస్పరం ఆకర్షించుకొంటాయి కాబట్టి ఒక అణువులోని ఆక్సిజన్ కు చేరువగా మరో అణువులోని హైడ్రోజన్ పరమాణువు ఆకర్షించాలి. తద్వారా HOH... HOH లాగా రెండు లేదా అంతకన్న హెచ్చు నీటి అణువుల మధ్య బలహీనమైన ఆకర్షణ బంధాలున్నాయన్నమాట. ఈ బంధాలనే హైడ్రోజన్ బంధాలు (IIydrogen Bonds) అంటారు.

నిత్యజీవితంలో ఈ హైడ్రోజన్ బంధాలకు చాలా విశిష్టత ఉంది. అంతెందుకు జీవానికి కారణమైన DNA శృంఖాలాలలో అటూ ఇటూ ఉన్న పేలికలలోని నత్రజని క్షారాలను పట్టి ఉంచేది హైడ్రోజన్ బంధాలే! ఇలా నీటి అణువుల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధాలుండడం వల్లే వేలాదిగా కోట్లాదిగా నీటి అణువులు గుంపులు గుంపులుగా ఉంటాయి. అందువల్లే సాధారణ ఉష్ణోగ్రతా పీడనాల దగ్గర నీరు ద్రవస్థితిలో ఉంటుంది. ద్రవస్థితిలో కన్నా ఘనస్థితిలో హైడ్రోజన్ బంధాల సామర్ధ్యం తక్కువ. తద్వారా మంచుగడ్డ సాంద్రత ద్రవ నీటి సాంద్రత కన్నా తక్కువగా ఉంటుంది. అందుకే నీటి మీద మంచు గడ్డలు తేలుతాయి. మరింత సమాచారంతో వచ్చే సంచికలో పూర్తి చేద్దాం.

నీటి గురించిన ప్రాథమిక వైజ్ఞానిక విశేషాల్ని గతనెలలో తెలుసుకున్నాం. విశాల విశ్వంలో ఎక్కడయినా జీవం ఉందా లేదా తెలుసుకోవడానికి ప్రాథమిక భూమికగా అక్కడ నీరు ఉందా లేదా అని పరిశీలిస్తారు. నీరు ఉన్నా, జీవం ఉండే పరిస్థితులు లేకపోవచ్చును గానీ ఒక ప్రాంతంలో జీవం ఉంటే అక్కడ ఖచ్చితంగా నీరు ఉంటుంది. జీవానికి, నీటికి ఉన్న అవినాభావ సంబంధం ప్రకృతిసిద్ధం. జీవానికి అవసరమయిన ఎన్నో లవణాలు, చక్కెరలు, ప్రొటీనులు, ఎంజైములు, అయాన్లు, కణాంగాలు నీటిలో కరిగి ఉంటాయి లేదా కొల్లాయిడల్ రూపంలో ఉంటాయి. కాబట్టి జీవానికి ప్రమాణం అయిన కణంలో నీటిశాతం దాదాపు 70శాతం వరకు ఉంటుంది. భూమ్మీద జీవుల మనుగడకు ప్రధానశక్తి ప్రదాయిని కిరణజన్య సంయోగక్రియ (photosynthesis). ఇందులో పత్రహరితం (chlorophyll) వాతావరణంలో ఉన్న కార్బన్ డయాక్సైడీను నీటితో క్షయకరణం (reduction) చేస్తుంది. పరోక్షంగా కాంతిశక్తిని CO 2 , H 2 O మధ్య సంధానిస్తుందని తెలుసుకున్నాము. అలా ఉద్భవించిన గ్లూకోజు (C 6 H 12 O 6 ) నుంచి తిరిగి శక్తిని రాబట్టడానికి జీర్ణప్రక్రియలో జలవిశ్లేషణ (hydrolysis) జరిగి తిరిగి ఇలాంటి చిన్న చక్కెరలు (monosaccarides) తో ఆహారంగా ఉన్న పెద్ద చక్కెరల (disiaccarides, oligosaccarides, polysaccarides) నుంచి గ్లూకోజు విడుదల అవుతుంది.

మన శరీర నిర్మాణానికి కండరాలు అవసరం. వాటికి మనం తినే మాంసకృత్తులే (proteins) ముడి పదార్థాలు. మన పొట్టలో మనం తిన్న మాంసకృత్తుల్లో ఉన్న అమైడు బంధాలు –R 1 -NH-CO-R 2 - తరహాలో ఉండగా అవి సజల విశ్లేషణ చెంది HOOC-R 1 -NH 2 , HOOC-R 2 -NH 2 వంటి అమైనో ఆమ్లాలుగా మారతాయి. వీటిని మన DNA తగురీతిగా RNA చొరవతో మనక్కావలసిన విధంగా ప్రొటీన్లను, ఎంజైములను హార్మోనులను నిర్మిస్తుంది. ఉదాహరణకు అమైనో ఆమ్లాలను ఇంగ్లీషు అక్షరాలుగా భావిద్దాము. వాటి కలయికతో మనకు ROSE, SEA, ENDS అనే వదాలు ఏర్పడటుగా ప్రొటీన్లో, ఎంజైములో, కండరతంత్రుల్లో (muscle fibres) అవసరం అనుకుందాం.

మనం తిన్న వప్పులోనూ లేదా చేవ మాంసంలోనో లేదా గ్రుడ్లలోనో ఉన్న ప్రొటీను DEARSOMENESS గా ఉందనుకుందాం. ఇది ఇలాగే మనకు నిరుపయోగం. కానీ దీన్ని మనం తినేశాక మన పొట్టలోకి ఈ DEARSOMENESS లో ఉన్న 12 అమైనో ఆమ్లాలు D, E, A, R, S, 0, M, E, N, E, S.S గా అంటే D,3E, A, R, 3S,0, M, N లుగా జల విశ్లేషణ వల్ల విడిపోయాయనుకొందాం. అపుడు విడివిడిగా ఉన్న D, 3E, A, R, JS, 0, M. N. మంచి మన DNA జన్యుస్మృతి (genome code) R, O, S, E లను కలిపి ROSE ను, S, E, A లను కలిపి (అర్ధం లేని ASE లాగానో, AES లాగానో, SAE లాగానో, EAS లాగానో, ESA, లాగానో కాకుండా), E, N, D, S కలిపి ENDS ను (అర్ధం ఉన్నా మనకు విషతుల్యమయిన SEND లాగా కాకుండా, etc) తయారుచేస్తుంది.

ఇంతటి ముఖ్యమైన నీరు ప్రపంచంలో శుద్ధమైన రీతిలో కేవలం 2 శాతమేనని తెలుసుకున్నాం. ఉత్తర దక్షిణ అమెరికా దేశాల్లో నీటి కొరత దాదాపు తక్కువ. ప్రపంచంలో ఉన్న మొత్తం శుద్ధజలంలో దాదాపు మూడవ వంతు అమెరికాలోని చికాగో నగరపుటంచున ఉన్న చికాగో సరస్సు, మిచిగన్ నగరానికి దగ్గరగా ఉన్న మిచిగన్ సరస్సు, అమెరికా, కెనడాల మధ్య ఉన్న సుపీరియర్ సరస్సు (Lake Superior) లలో ఉంది. అంటే ప్రపంచం మొత్తానికి అందుబాటులో ఉన్న మంచినీరు 100 ప్రమాణాలయితే అమెరికా దేశంలోనే షుమారు 40 ప్రమాణాలున్నాయన్నమాట. అయినా అమెరికాలో ప్రజలు పెట్రోలు కన్నా ఎక్కువ ఖరీదు పెట్టి త్రాగునీటిని కొంటారు. అది వేరే విషయం. కానీ అక్కడ వారు స్నానాల కోసం వాడేనీరు మనలాంటి అభివృద్ధి చెందుతున్న దేశాల్లో 70 శాతం పై చిలుకు, పేదదేశాల్లో దాదాపు 100 శాతం వాడే త్రాగునీటి కన్నా పరిశుభ్రమయినవని గణాంకాలు తెలియజేస్తున్నాయి. సహజంగానే నీటికొరత ఉన్న ఎడారి దేశాలయిన మధ్య ఆసియా (దుబాయి, కువైట్, మొ.) వంటి దేశాలు ఎదుర్కొంటున్న నీటి కొరత (water scarcity) ని భౌతిక జల కొరత (physical water scarcity) అంటారు. కానీ డజన్లకొద్దీ నదులు వేలాది కిలోమీటర్ల సముద్ర తీర ప్రాంతాలు ఉన్న భారతదేశంలో ఓ వైపు వరదలు, మరోవైపు అనావృష్టి ఉండే పరిస్థితుల్ని ఆర్థిక జలకొరత (economical water scarcity) అంటారు. అంటే సరియైన యంత్రాంగం, ప్రణాళిక లేకపోవడం వల్ల ఎదురయిన నీటికొరత యిది. ప్రధానంగా డబ్బుపెట్టి కొనాల్సిన ఓ వ్యాపార వస్తువుగా నీటిని మార్చిన రాజకీయ ఆర్ధిక పరిస్థితులే భారతదేశంలో దుర్భర నీటి కొరతకు కారణం.

ఆధారం: ప్రొ. ఎ. రామచంద్రయ్య