Acqua
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| Acqua | |
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| Nome IUPAC | |
|---|---|
| ossidano o ossido di idrogeno | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | H2O |
| Massa molecolare (amu) | 18,01528 |
| Aspetto | liquido incolore |
| Numero CAS | 7732-18-5 |
| Proprietà chimico-fisiche | |
| Densità (g·cm-3, in c.n.) | 0,999972 a 277,15 K (4 °C) |
| Prodotto ionico | 10-14 a 293 K |
| Temperatura di fusione (K) | 273,15 (0 °C) |
| Temperatura di ebollizione (K) | 373,15 (100 °C) |
| Punto critico | 674 K (401 °C) 2,21 × 107 Pa |
| Proprietà termochimiche | |
| ΔfH0 (kJ·mol-1) | -285,8 |
| ΔfG0 (kJ·mol-1) | -237,1 |
| S0m(J·K-1mol-1) | 70,0 |
| C0p,m(J·K-1mol-1) | 75,3 |
| Indicazioni di sicurezza | |
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| Progetto Chimica - Chemiobox | |
In questa voce si tratta dell'argomento principalmente secondo una prospettiva scientifica e tecnica.
L'acqua è un liquido, a temperatura e pressione standard. La sua molecola si compone di un atomo di ossigeno cui sono legati due atomi di idrogeno; la sua formula chimica è pertanto H2O.
Indice |
[modifica] Una sostanza particolare
[modifica] Le forme fisiche dell'acqua
L'acqua assume molte forme in natura. Allo stato solido è nota come ghiaccio, allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo. Sono note anche altre due forme solide, quella del ghiaccio vetroso e quella del solido amorfo, non cristallino, simile al vetro. A pressioni estreme il ghiaccio può assumere ulteriori sei stati solidi numerati con numeri romani da I a VII escluso il VI, il passaggio da un ghiaccio all'altro è una transizione isotermica.
Al di sopra di certi valori di temperatura e pressione (detti critici), che per l'acqua sono 647 K e 22,064 × 106 Pa, l'acqua entra in uno stato detto supercritico, in cui aggregati di acqua allo stato simil-liquido fluiscono dentro una fase di simil-vapore.
L'acqua pesante è acqua in cui gli atomi di idrogeno sono stati sostituiti dal deuterio, il suo isotopo avente peso atomico 2 uma. Il suo comportamento chimico è sostanzialmente uguale a quello dell'acqua; trova applicazione come mezzo per rallentare i neutroni emessi dalla fissione nucleare.
[modifica] Le proprietà dell'acqua
A differenza della maggior parte delle altre sostanze, per le quali la forma solida è più densa di quella liquida, il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. La densità dell'acqua è infatti massima a 4 °C. Ciò è dovuto al fatto che il volume molare dell'acqua aumenta all'abbassarsi della temperatura, con conseguente diminuzione della densità, e galleggiamento per spinta di Archimede.
Questa insolita espansione dell'acqua a basse temperature costituisce un vantaggio importante per tutte le creature che vivono in ambienti di acqua dolce d'inverno. L'acqua, raffreddandosi in superficie, aumenta di densità e scende verso il fondo innescando correnti convettive che raffreddano uniformemente l'intero bacino. Quando la temperatura in superficie scende sotto i 4 °C questo processo si arresta; l'acqua più fredda rimane in superficie, dove forma poi, con un ulteriore calo della temperatura, uno strato di ghiaccio.
La situazione nelle acque marine è in qualche modo diversa. Il sale contenuto nell'acqua abbassa sia il punto di congelamento dell'acqua di circa 2 °C ed abbassa la temperatura cui l'acqua raggiunge la sua massima densità fino a circa 0 °C. Quindi, nelle acque oceaniche i moti convettivi che portano verso il fondo l'acqua più fredda non sono bloccati dalla differenza di densità come nelle acque dolci. Le creature che vivono sul fondo degli oceani artici sono adattate a vivere a temperature prossime a 0 °C.
Alla normale salinità dell'acqua di mare l'acqua congela a circa −1,9 °C; il ghiaccio che si forma è sostanzialmente privo di sale ed ha densità paragonabile a quella del ghiaccio di acqua dolce. Questo ghiaccio galleggia sulla superficie, mentre il sale che ne è stato "espulso" va ad aumentare salinità e densità dell'acqua vicina, la quale scende per convezione verso il fondo.
Le condizioni di temperatura e pressione in cui le fasi solida, liquida e gassosa di una sostanza esistono contemporaneamente in equilibrio tra loro è detta punto triplo. Per l'acqua il punto triplo viene usato come riferimento di temperatura, avendo fissato per convenzione che questi è a 273,16 K (ossia 0,01 °C); la pressione al punto triplo dell'acqua è di 611,2 Pa, valore molto basso, se si considera che al livello del mare la pressione atmosferica vale mediamente 101.300 Pa.
Chimicamente l'acqua è un buon solvente. Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, dato che consentono lo svolgersi delle complesse reazioni chimiche che costituiscono le basi della vita stessa (ad esempio, quelle che avvengono nel sangue o nel citoplasma della cellula).
L'acqua possiede un'elevata tensione superficiale, osservabile tramite la formazione di gocce, proprietà anch'essa importante per la vita. Un esempio è il trasporto dell'acqua negli xilemi degli steli delle piante; la tensione superficiale mantiene la colonna d'acqua unita e forze adesive mantengono l'acqua aderente allo xilema. Colonne altrettanto alte e sottili di liquidi meno coesi e meno aderenti andrebbero a spezzarsi formando sacche d'aria o di vapore, rendendo inefficiente fino all'impossibilità il trasporto del liquido attraverso lo xilema.
L'acqua pura è un buon isolante elettrico (cioè un cattivo conduttore). Ma, essendo anche un buon solvente, spesso reca in sé tracce di sali disciolti in essa, che, con i loro ioni la rendono un buon conduttore di elettricità.
Tramite un processo chiamato elettrolisi, l'acqua può essere scomposta nei suoi componenti elementari, l'idrogeno e l'ossigeno. L'acqua è infatti parzialmente dissociata in ioni H+ e OH-, che migrano verso i due poli della cella elettrolitica dove avvengono le seguenti reazioni
anodo (+): 4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e-
catodo (−): 2 H+ + 2 e− → H2
ossigeno e idrogeno formano bolle di gas sulla superficie degli elettrodi, da cui possono essere raccolti.
In teoria il pH dell'acqua pura è 7. In pratica, date le sue buone capacità solventi, l'acqua pura è difficile da produrre. Per semplice esposizione all'aria, l'acqua ne dissolve l'anidride carbonica formando una soluzione molto diluita di acido carbonico che può arrivare fino ad un valore di pH di 5,7. Similmente si comportano le gocce di pioggia, che quindi hanno sempre una minima acidità. La presenza di ossidi di zolfo o di azoto nell'atmosfera, tramite la loro dissoluzione nelle gocce di pioggia, porta a piogge acide aventi valori di pH ben inferiori (3,5 - 2,5) i cui effetti sull'ambiente sono ben più seri.
[modifica] Una sostanza comune
[modifica] L'acqua nell'universo
L'acqua è stata trovata nelle nubi interstellari della nostra galassia, la Via Lattea. Si presume che l'acqua sia abbondante anche in altre galassie, dato che i suoi componenti elementari, idrogeno e ossigeno, sono tra i più abbondanti elementi dell'universo.
Le nubi interstellari danno origine a nebulose stellari e sistemi solari come il nostro. L'acqua si ritrova quindi nelle comete, nei pianeti e nei loro satelliti. Nel nostro sistema solare, l'acqua è stata trovata
- sulla Luna,
- sui pianeti Mercurio, Marte, Nettuno e Plutone,
- sui satelliti di alcuni pianeti, tra cui Tritone e Europa.
[modifica] L'acqua sulla Terra
Il ciclo dell'acqua (noto scientificamente come ciclo idrologico) descrive il continuo scambio di acqua nell'idrosfera tra l'atmosfera, il suolo, le acque di superficie, le acque profonde e gli esseri viventi.
Il volume di acqua presente sulla Terra è stimato in 1.360.000.000 km3; di questi:
- 1.320.000.000 km3 sono acque marine (in maggioranza oceano).
- 25.000.000 km3 sono nei ghiacciai e nelle calotte polari.
- 13.000.000 km3 sono nel suolo, nelle falde acquifere.
- 250.000 km3 sono acque dolci nei laghi, nei mari interni e nei fiumi.
- 13.000 km3 sono vapore acqueo nell'atmosfera.
[modifica] L'acqua nell'industria
L'acqua è usata anche in numerosi processi ed apparecchiature industriali, quali ad esempio il motore a vapore, i generatori di vapore, gli scambiatori di calore ed i radiatori, nonché nei processi dell'industria chimica. Una forma di inquinamento è rappresentata dallo scarico nell'ambiente di acque residue di processi industriali non opportunamente trattate (inquinamento chimico) o di acque di raffreddamento (inquinamento termico).
[modifica] Fisica e chimica dell'acqua
[modifica] I cambiamenti di stato dell'acqua
L'acqua è una delle poche sostanze esistenti (insieme a gallio, bismuto e antimonio) in cui il processo di fusione avviene con un aumento di volume specifico pari a circa 0,09 L per chilogrammo alla temperatura di 0 °C e alla pressione di una atmosfera. Ciò comporta che alla diminuzione della temperatura, la pressione di passaggio di stato solido-liquido aumenti sensibilmente: si ha una pendenza negativa della linea di passaggio solido-liquido nel diagramma pressione-temperatura. Per ogni centesimo di grado Celsius (0,01 °C) di diminuzione della temperatura si ha un aumento della pressione di fusione di circa una atmosfera. Questa relazione è verificata fino alla pressione di 2070 atm e alla temperatura di -22 °C, oltre la quale si hanno altri stati allotropici.
In condizioni normali, a pressione di una atmosfera, l'acqua vaporizza alla temperatura di 100 °C. Come per tutte le altre sostanze nella trasformazione è necessaria una certa quantità di calore detto calore latente, che nel caso dell'acqua è più elevato di ogni altra sostanza nota. A condizioni di 0 °C e di una atmosfera questo calore di vaporizzazione è pari a 2501 kJ/kg. Fra i 90 °C e i 250 °C vale la regola empirica per cui la pressione di vaporizzazione è pari alla radice quarta della centesima parte della temperatura di vaporizzazione in gradi Celsius.
[modifica] La natura dipolare dell'acqua
Una importante caratteristica dell'acqua è il suo essere una molecola polare, con momento di dipolo molecolare pari a 1,84 D. La molecola dell'acqua forma un angolo di 104,45° con l'atomo di ossigeno al vertice e i due atomi di idrogeno alle due estremità. Dato che l'ossigeno ha una elettronegatività maggiore, il vertice della molecola ospita una parziale carica elettrica negativa, mentre le estremità recano una parziale carica elettrica positiva. Una molecola che presenta questo squilibrio di cariche elettriche è detta essere un dipolo elettrico. Le cariche fanno sì che le molecole vengano attratte reciprocamente l'una all'altra. Questa attrazione nell'acqua è particolarmente intensa, prende il nome di legame idrogeno e spiega molte delle proprietà fisiche tipiche dell'acqua.
Benché il legame idrogeno sia molto più debole dei legami covalenti interni alla molecola stessa, questi è responsabile di molte delle proprietà fisiche dell'acqua. Due di esse sono i relativamente alti punto di fusione e punto di ebollizione, è infatti richiesta una maggiore energia (rispetto a sostanze meno polari) per rompere i legami idrogeno che tengono unite le molecole le une alle altre. L'acido solfidrico, H2S, simile per geometria ma incapace di formare legami idrogeno, è un gas a temperatura ambiente pur avendo un peso molecolare quasi doppio rispetto all'acqua. Sempre al legame idrogeno è da attribuire l'elevata capacità termica specifica.
Il legame idrogeno spiega anche l'insolito comportamento dell'acqua quando questa congela. A causa sua, quando la temperatura si abbassa fino al punto di congelamento, le molecole di acqua si organizzano nella struttura cristallina dalla simmetria esagonale tipica del ghiaccio che risulta essere meno densa dell'acqua liquida.
Il fatto che il ghiaccio sia meno denso dell'acqua liquida porta con sé una curiosa conseguenza: il ghiaccio può essere fuso anche tramite l'applicazione di una adeguata pressione. Tale pressione risulta essere piuttosto elevata, si pensi per confronto che la pressione esercitata da un pattinatore abbassa il punto di fusione del ghiaccio su cui si trova di circa 0,09 °C.
[modifica] L'acqua come solvente
La sua polarità rende l'acqua anche un buon solvente. Quando un composto ionico o polare viene messo in acqua, viene circondato dalle molecole di acqua le quali, per via delle loro piccole dimensioni, si inseriscono tra uno ione e l'altro o tra una molecola e l'altra di soluto orientandosi in modo da presentare ad ogni ione (o estremità polare) del soluto la parte di sé che reca la carica opposta; questo indebolisce l'attrazione tra gli ioni (o tra le molecole polari) e rompe la struttura cristallina. Ogni ione (o ogni molecola polare) si ritrova quindi solvatato, cioè circondato completamente da molecole d'acqua.
Un esempio di soluto ionico è il comune sale da cucina (cloruro di sodio), un esempio di soluto molecolare polare è lo zucchero.
In generale, le sostanze ioniche polari, quali acidi, alcoli e sali sono abbastanza solubili in acqua, mentre non lo sono le sostanze non polari, quali grassi ed oli. Le molecole non polari non si miscelano all'acqua perché per quest'ultima è energeticamente favorito il formare legami a idrogeno al suo interno, piuttosto che formare legami di Van der Waals con molecole non polari.
[modifica] La natura anfotera dell'acqua
Chimicamente, l'acqua è un anfotero, cioè un composto capace di comportarsi sia da acido che da base.
A pH 7 (neutralità) la concentrazione di ioni idrossido OH- è uguale a quella di ioni idrogeno H+ (o idronio H3O+). Quando questo equilibrio viene alterato, la soluzione diventa acida (maggiore concentrazione di ioni idrogeno) o basica (maggiore concentrazione di ioni idrossido).
Secondo la teoria di Brønsted-Lowry, un acido è una specie chimica capace di donare uno ione H+ ed una base è una specie chimica capace di addizionarlo a sé. In presenza di un acido più forte di lei, l'acqua si comporta da base, in presenza di un acido più debole di lei, l'acqua si comporta da acido. Ad esempio, nell'equilibrio
- HCl + H2O ⇄ H3O+ + Cl-
l'acqua si comporta come base ed un acido le dona il suo ione H+. invece nella reazione con l'ammoniaca:
- NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH-
è l'acqua ad agire da acido donando il suo ione H+ a quest'ultima.
[modifica] Nomenclatura sistematica
Il nome sistematico dell'acqua dovrebbe essere monossido di diidrogeno, oppure idrossido di idrogeno o acido ossidrilico se se ne vuole enfatizzare il comportamento basico o acido. Tali nomi però non sono mai entrati in uso, se non in parodie del linguaggio dei chimici o in scherzi (si veda ad esempio en:Dihydrogen monoxide hoax).
[modifica] Cenni storici
Nel 1742, Anders Celsius definì la scala di temperatura che prende il suo nome ponendo il punto di fusione dell'acqua a 0 gradi ed il punto di ebollizione alla normale pressione atmosferica a 100 gradi.
La prima scomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno per elettrolisi fu eseguita nel 1800 dal chimico inglese William Nicholson.
Gilbert Newton Lewis ha isolato il primo campione di pura acqua pesante nel 1933.
Una controversia scientifica è nata alla fine degli anni '60 a proposito dell'esistenza di una forma polimerica dell'acqua (la poliacqua). È ormai condivisa l'opinione che tale poliacqua non esiste.
[modifica] La politica dell'acqua
A differenza di altri beni di primaria importanza, come il petrolio, il rame o il grano, l'acqua non è sostituibile nella maggior parte dei suoi impieghi e non è economicamente conveniente il suo trasporto a distanze superiori a qualche centinaio di chilometri.
A causa della crescita della popolazione mondiale e altri fattori, la disponibilità di acqua potabile per persona sta diminuendo. Il problema delle riserve acquifere può essere risolto con un deciso aumento della produzione, una migliore distribuzione e un minore spreco. Per questo motivo, l'acqua è una risorsa strategica per molti paesi. Tanti stati sono stati coinvolti in una lunga successione di conflitti, armati e politici, per l'usufrutto d'acqua, per l'accesso alla stessa e tensioni governano alcuni rapporti diplomatici proprio per il controllo sulle riserve.[1]
L'acqua pulita è quotata come il petrolio del futuro,[2] facendo del Canada, con la sua naturale abbondanza d'acqua, la potenza più grande del mondo. L'acqua dolce, ora più preziosa che mai per il suo uso estensivo in agricoltura, nelle manifatture ad alta tecnologia e per la produzione di energia idroelettrica, sta pian piano acquisendo l'attenzione della gente per una gestione più intelligente e un uso sostenibile.
Tuttavia, l'acqua salata non è adatta a nessuna delle suddette applicazioni. Il sale elimina la fertilità dei terreni, impedendo successivi raccolti; incrosta le turbine e le pale di una centrale, e in generale i componenti meccanici di un'industria manifatturiera.
L'acqua dolce rappresenta solo il 2,5% del volume totale dell'acqua sulla Terra e oltre 2/3 dell'acqua dolce si trovano in ghiacciai, in particolare nell'Artide. Un ulteriore 30% si trova in riserve sotterranee e solo meno dell'1% dell'acqua dolce si trova in laghi, fiumi o bacini ed è quindi facilmente accessibile.[3] In uno studio pubblicato nel 1996 dalla rivista Science[4] si stimava che:
- il ciclo dell'acqua genera un totale di acqua dolce rinnovabile pari a circa 110.300 Km3/anno;
- circa 69.600 Km3/anno delle precipitazioni evapora a sua volta (ma consente la vita di forme importanti di vegetazione, quali le foreste, non irrigate dall'uomo);
- rimangono circa 40.700 Km3/anno, che ritornano nei mari e negli oceani; di tale acqua:
- 7.774 Km3/anno sono in zone di difficile accesso e, in pratica, non utilizzate (circa il 95% del Rio delle Amazzoni, metà del Congo, buona parte dei fiumi nelle terre più settentrionali);
- 29.600 Km3/anno finiscono in mare senza essere utilizzati mediante dighe;
- 12.500 Km3/anno possono essere utilizzati dall'uomo; di questi:
- 4.430 Km3/anno vengono direttamente utilizzati nell'agricoltura (2.880), nell'industria (975) e nelle città (300); il dato comprende, peraltro, anche la perdita di riserve per evaporazione (275);
- 2.350 Km3/anno vengono utilizzati "così come sono" per navigazione, pesca, parchi, ecc.;
- la costruzione di dighe può aumentare di circa il 10% la disponibilità di acqua dolce utilizzabile dall'uomo nel 2025, ma si prevede che per quel tempo la popolazione potrebbe aumentare di circa il 45%;
- l'aumento stimato dell'acqua disponibile può inoltre risultare ottimistico, a causa del crescente inquinamento e del riscaldamento globale.
Il World Water Development Report dell'UNESCO nel 2003 indica chiaramente che nei prossimi vent'anni la quantità d'acqua disponibile per ogni persona diminuirà del 30 %. Il 40 % della popolazione mondiale non può permettersi il lusso dell'acqua dolce per una minima igiene. Oltre 2,2 milioni di persone sono morte nel 2000 per malattie causate dall'acqua inquinata. Nel 2004 l'organizzazione di carità britannica "WaterAid" ha calcolato che un bambino muore ogni 15 s per via di malattie contratte dall'acqua facilmente prevenibili. Il problema è stato peraltro affrontato all'Earth Summit di Rio De Janeiro già nell'1992, che portò tra le altre cose, all'istituzione del giorno internazionale dell'acqua.
I governi di molti Paesi hanno programmato di distribuire l'acqua ai bisognosi gratuitamente. Altri sostengono che il meccanismo del mercato e della libera iniziativa privata sia di gran lunga più adeguato alla gestione di questa preziosa risorsa e al finanziamento per di pozzi o cisterne e dighe.
Il mercato delle acque minerali è l'esempio trattato nel modello dell'oligopolio di Cournot. Si tratta di un mercato a costo variabile marginale, pari a quello della sola bottiglia, e il costo fisso della concessione. Il mercato è molto remunerativo se si compara il costo di 0.80-1 euro per un metro cubo (1000 litri) di acqua del rubinetto, che è simile a quello di una singola bottiglia da un litro.
[modifica] L'acqua nelle culture umane
Per la maggior parte delle religioni, l'acqua è considerata un elemento purificatore. Esempi sono il battesimo cristiano ed i bagni rituali dell'ebraismo e dell'islam. Anche nello scintoismo l'acqua è usata nei rituali di purificazione di persone o luoghi.
All'acqua vengono spesso attribuiti poteri spirituali; molte religioni venerano dei legati all'acqua o i corsi d'acqua stessi (esempio, il Gange per l'induismo). Ancora, divinità particolari sono posti a patroni di particolari fonti d'acqua.
Il filosofo greco Empedocle annoverò l'acqua come uno dei quattro elementi fondamentali, insieme ad aria, terra e fuoco. Il taoismo cinese la include nei suoi cinque elementi con terra, fuoco, legno e metallo.
L'espansione dell'acqua al congelamento è portata come esempio di quelle proprietà fisiche critiche che supportano la vita sulla Terra a difesa del principio antropico.
[modifica] Note
- ↑ Si può notare, ad esempio, che l'acqua svolge un ruolo importante nell'ambito del conflitto arabo-israeliano. Israele occupa dal 1967 la Cisgiordania e le alture del Golan e, dopo aver occupato dal 1982 al 2000 la cosiddetta "fascia di sicurezza" nel Libano meridionale, è ancora presente nella zona del Libano meridionale detta "Fattorie di Sheba'a", attraverso la quale passano i fiumi Wazzani e Hasbani, che alimentano il fiume Giordano. Il Giordano, a sua volta, alimenta il Lago di Tiberiade, principale fonte di acqua dolce per Israele e Giordania ([1]).
- ↑ Cfr., ad esempio, Acqua, il petrolio del XXI secolo.
- ↑ Cfr. Summary of the monograph "World Water Resources at the Beginning of the 21st Century" prepared in the framework of IHP UNESCO, cap. 2 «Water storage on the Earth and hydrological cycle».
- ↑ Sandra L. Postel, Gretchen C. Daily, Paul R. Ehrlich. «Human Appropriation of Renewable Fresh Water». Science, 1996, vol. 271, n. 5250, pp. 785-788. Si tratta di un classico citato da diversi altri lavori (cfr. [2]), nonché dall'ultimo aggiornamento del Rapporto sui limiti dello sviluppo.
[modifica] Trattamenti
[modifica] Voci correlate
- Per la chimica: legame chimico, orbitale, acido, base
- Acqua minerale
- Disidratazione
- Inondazione
- Acqua pesante
- Acqua distillata
- Idrografia
- Idrologia
- Idrosfera
- Durezza dell'acqua
- Energia idroelettrica
- Acqua di mare
- Ghiaccio
- Pioggia
- Precipitazione
- Marea
- Ciclo dell'acqua
- Giorno internazionale dell'acqua
[modifica] Altri progetti
Wikibooks contiene un capitolo del libro di biochimica su l'Acqua
Commons contiene file multimediali su Acqua
Wikiquote contiene citazioni di o su Acqua
[modifica] Collegamenti esterni
- (EN) Struttura e proprietà dell'acqua
- (EN) Un sito burlesco sui pericoli del monossido di diidrogeno
- (EN) Stockholm International Water Institute (SIWI)
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