Caratteristiche chimiche e fisiche dell'acqua:

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1 ACQUA L'acqua è un composto chimico con la formula chimica H2O. Una molecola di acqua contiene un ossigeno e due atomi di idrogeno legati da legami covalenti. L'acqua è un liquido a temperatura e pressione ambiente, ma spesso esiste sulla Terra anche allo stato solido come ghiaccio e allo stato gassoso come vapore acqueo. Nell'universo è presente una grande quantità di acqua che si è formata come sottoprodotto della formazione stellare. Quando le stelle hanno terminato il loro ciclo subiscono una contrazione accompagnato poi da una violenta esplosione che ha creato un forte vento cosmico in espansione composto di gas e polveri contenenti grandi quantità di acqua. L'acqua infatti è stata individuata in nubi interstellari e all'interno della nostra galassia: la Via Lattea. L acqua probabilmente esiste in abbondanza anche in altre galassie perché i suoi componenti, idrogeno e ossigeno, sono tra gli elementi più abbondanti nell'universo. Nelle atmosfere dei pianeti del sistema solare è presente il vapore acqueo in quantità non trascurabile, ma soprattutto concentrato come ghiaccio d acqua ai poli,: Atmosfera di Mercurio: 3,4%, Atmosfera di Venere: 0,002% Atmosfera terrestre: 0.40% Atmosfera di Marte: 0,03% Atmosfera di Giove: 0,0004% Atmosfera di Saturno: solo ghiaccio L'acqua liquida in grandi quantità è presente solo sulla Terra con il 71% della superficie occupata dagli oceani: evento fortunato perché l acqua è essenziale per tutte le forme di vita. Caratteristiche chimiche e fisiche dell'acqua: L acqua è un minerale veramente straordinario; per la sua composizione e per peso molecolare l acqua dovrebbe essere un gas, invece a temperatura e pressione ambiente è liquida a causa delle caratteristiche eccezionali della sua molecola; questo fenomeno ha permesso la nascita della vita sul nostro pianeta. La ragione di questa caratteristica anomala dal punto di vista chimico è dovuta alla peculiarità della molecola d'acqua che non risulta neutra; infatti l'atomo di ossigeno ha una carica elettrica leggermente superiore alla somma della carica degli atomi di idrogeno che risultano essere leggermente positivi, si ha come risultato di avere la molecola dell'acqua che è polare. Questa polarità residua della molecola dell acqua produce un numero molto elevato di legami idrogeno temporanei che si alternano secondo le vibrazioni fra le molecole; tale caratteristica porta a formare aggregazione di molecole di peso elevato con legami e attrazioni tra le molecole dell' acqua che si comportano come fossero calamite temporanee che danno luogo ad un composto di alto peso molecolare medio a temperatura e pressione ambiente con punto di ebollizione molto più elevato della molecola singola dell acqua. L acqua allo stato liquido possiede un alta tensione superficiale unita a notevoli forze di adesione capillare per alcune sostanze. La forza capillare é la tendenza dell acqua di aderire e risalire lungo i tubi sottili con superfici idrofile tali da vincere la forza di gravità. Questa proprietà specifica dell acqua è generalizzata in natura, permette fra l altro agli alberi di assorbire l acqua con le radici e farla risalire come linfa fino alla cima degli alberi : un tragitto che può essere anche di un centinaio di metri.. 1

2 L'acqua è un buon solvente polare e viene spesso indicata come il solvente universale. Le sostanze che si sciolgono in acqua sono usualmente: sali, zuccheri, acidi, alcali, e alcuni gas, in particolare ossigeno e anidride carbonica che sono note come sostanze idrofile. Quindi se misceliamo dei cristalli di zucchero o di sale con acqua, questi sono circondati dalle molecole d acqua che vi aderiscono e li rivestono rompendo i legami esistenti fra le loro molecole, nel caso del sale l acqua penetra fra gli atomi di cloro e sodio che formano il cristallo, li stacca e si combina con essi formando ioni che si diffondono nel liquido portandoli in soluzione. Altre sostanze sono note come idrofobe: cioè nemiche dell'acqua che non vi aderiscono anzi le scacciano e non si fanno bagnare (ad esempio i grassi e gli oli e le cere). Anche questa caratteristica è importantissima, per esempio se le piante non avessero le foglie rivestite di un sottilissimo strato di queste sostanze l acqua penetrerebbe nelle cellule distruggendole, mentre all interno del corpo vegetale della pianta è essenziale che sali e zuccheri siano sciolti nella linfa (formata in grande quantità da acqua) e possano liberamente circolare in soluzione per il ciclo biologico della pianta. L'acqua abbiamo visto che è un liquido a temperatura e pressione ambiente ed é insapore e inodore. Il colore proprio dell'acqua e del ghiaccio in grandi spessori è leggermente blu, ma sono entrambi incolori in piccoli spessori. Il vapore acqueo è essenzialmente invisibile come tutti i gas. L'acqua fino a spessori di alcuni metri è trasparente alla luce dello spettro del visibile che la può attraversare, ciò permette alle piante acquatiche di assorbire la luce solare e di vivere fino alla profondità di alcuni metri. Il punto di ebollizione dell'acqua (come anche di altri liquidi) dipende dalla pressione barometrica. Ad esempio, sulla cima del monte Everest (8000 metri) dove la pressione è molto ridotta, l acqua bolle a 68 C rispetto ai 100 C a livello del mare. Al contrario, l'acqua nella profondità degli oceani per l enorme pressione esistente sul fondo marino rimane ancora allo stato liquido nonostante le soluzioni acquose dei fumaioli neri vengano emesse alla temperatura di C. L'acqua ha un elevato calore specifico, nonché un elevato calore di evaporazione, come conseguenza dei potenti legami idrogeno che aggregano le molecole. Questa proprietà insolita e specifica dell acqua permette di temperare il clima della Terra, moderando le ampie fluttuazioni di calore causate da insolazione e dispersione di calore nell atmosfera in forza delle grandi quantità di calore assorbito con l evaporazione e dalla condensazione dell acqua superficiale. L elevato calore specifico dell acqua ci permette inoltre di poter lessare i cibi per l alta quantità di calore necessario alla sua trasformazione da stato liquido a stato gassoso. La densità massima dell acqua è riscontrata a 3,98 C. ed ha anche l'anomala proprietà di diventare meno densa quando la temperatura si abbassa fino al punto di congelamento di 0 C. Quando passa da 3,98 C ai 0 C e si forma il ghiaccio (acqua nella fase solida), questo si espande ed aumenta il suo volume del 9% circa. Per questo motivo il ghiaccio galleggia sull'acqua come avviene per gli Iceberg. Infatti la sua densità allo stato liquido a 4 C è di 1000 gr./dm cubico, mentre quando diventa ghiaccio, scende alla densità di 917 gr., se non avesse questa anomala caratteristica e si comportasse come tutti gli altri materiali il ghiaccio formato affonderebbe 2

3 nell acqua liquida e come conseguenza l acqua del mare si sarebbe trasformata in una completa massa ghiacciata, impedendo sicuramente il formarsi della vita. L'acqua è miscibile con alcuni liquidi polari come :alcool etilico, acetone e con essi forma una soluzione omogenea mentre con gli oli, sia minerali lubrificanti che quelli organici come l olio d oliva, di girasole, ecc. che sono non polari, è immiscibile ed essendo più leggeri formano strati separati che galleggiano sull acqua.. L acqua allo stato di vapore è miscibile coi gas dell aria e quando per raffreddamento si condensa nell'aria forma nuvole, nebbie e foschie e in particolari condizioni le goccioline possono con la luce del sole produrre arcobaleni per la scomposizione dello spettro solare. L'acqua può essere scissa nei suoi componenti gassosi di idrogeno ed ossigeno per mezzo della corrente elettrica nell elettrolisi; però l'energia richiesta per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno è maggiore dell'energia che potrebbe sviluppare quando si fanno ricombinare idrogeno e ossigeno (per esempio nella combustione). I composti organici combustibili, come cellulosa (legno) oli minerali (petrolio) oppure grassi organici, che contengono catene di carbonio e idrogeno si combinano ad alta temperatura con l ossigeno a produrre ossido di idrogeno, cioè acqua e anidride carbonica, quindi anche l acqua è un prodotto finale della combustione delle sostanze organiche. Nel linguaggio tecnico le varie branche dello studio dell acqua utilizzano parole specifiche, così: l idrologia è lo studio del movimento, la distribuzione e la qualità delle acque di tutta la Terra, mentre nello specifico lo studio della distribuzione dell acqua sulla superficie terrestre è detta idrografia; lo studio della distribuzione e il movimento delle acque sotterranee è idrogeologia. Invece lo studio della forma solida dell acqua cioè dei ghiacciai è detta glaciologia ed infine la distribuzione dell acqua negli oceani è oceanografia. Sulla Terra, il 96,5% di tutta l acqua del pianeta si trova negli oceani, il resto è contenuta per il 1,7% nelle acque sotterranee, la stessa quantità dell 1,7% è solida nei ghiacciai e nelle calotte polari ed infine una piccola frazione nei laghi e un misero 0,001% nell atmosfera sotto forma di vapore e nuvole (che sono formate da particelle d'acqua liquide e solide in cristalli sospese in aria). Solamente il 2,5 % dell'acqua della Terra è acqua dolce, e di questa ben il 98,8% è nel ghiaccio delle calotte e dei ghiacciai e nelle acque sotterranee. Meno dello 0,3% di tutta l'acqua della Terra è in fiumi, laghi e nell'atmosfera. L'acqua sulla Terra espone una grandissima superficie all evaporazione (oltre il 70% della superficie terrestre) per mezzo del vento e dell insolazione grandi quantità passano dallo stato liquido a quello gassoso penetrando nell atmosfera alimentando il cosiddetto ciclo dell'acqua. Con la successiva condensazione del vapore acqueo si formano le nuvole, da cui precipita sulla superficie terrestre come pioggia o neve specie nelle zone montuose. Quando le nuvole con la pioggia portano l acqua sulla terra, la maggior parte dell acqua ritorna agli oceani con il trasporto fluviale accompagnata da grandi quantità di sedimenti che ha raccolto e asportato con l'erosione e il ruscellamento, perciò sulla superficie terrestre l acqua che scorre influisce massicciamente nei processi, sia chimici che fisici, sulla disgregazione delle rocce e con il suo scorrere sia in forma liquida delle acque superficiali o solida dei ghiacciai è responsabile della formazione e del trasporto di enormi quantità di materiale roccioso verso il mare. Questo ciclo (noto scientificamente come ciclo idrologico) si riferisce al continuo passaggio di grandi quantità di acqua all'interno della idrosfera, passando continuamente di stato da acqua liquida a vapore a ghiaccio e viceversa. 3

4 L'acqua è importante anche in molti processi geologici. Le acque sotterranee sono presenti nella maggior parte delle rocce, anche nelle rocce vulcaniche incandescenti combinate come minerali idrati. Infatti l'acqua contenuta nei sedimenti oceanici è poi trascinata in zone di subduzione e entrando nel mantello contribuisce alla fusione dei magmi che sgorgano dai vulcani provocando con altri gas esplosioni e nubi ardenti. Perciò sia l acqua e in misura minore il ghiaccio, sono responsabili del trasporto delle enormi quantità di solidi di alterazione della crosta terrestre, generando con la compattazione del sedimento trasportato molti tipi di rocce sedimentarie. Perciò ghiaccio e acqua modellano l'ambiente e creano le valli fluviali e i delta che forniscono terreno fertile e pianeggiante per il creazione di centri abitati, i residui di disgregazione delle rocce e dei terreni depositandosi alla fine in mare, formano le scarpate continentali che sono importanti serbatoi di zone per la pesca Parti considerevoli delle precipitazioni sono intrappolate temporaneamente nei laghi come acqua liquida e nelle calotte polari sotto forma di ghiaccio e nelle alte catene montuose dove la neve forma i ghiacciai. Parte dell acqua meteorica abbiamo visto che si infiltra anche nel terreno e va nelle falde acquifere. Queste acque sotterranee in seguito rifluiscono in superficie con le sorgenti e a volte nelle spettacolari sorgenti calde e nei geyser. Le acque sotterranee a volte sgorgano dalle sorgenti ma a volte sono anche estratte artificialmente in pozzi. Questo deposito di acqua sotterranea è importante, dal momento che è una riserva di acqua fresca e pulita ed essenziale per la popolazione umana e per gli animali. Non va dimenticata l acqua fossile presente nei terreni desertici, é penetrata nel sottosuolo quando la zona aveva una piovosità abbondante e al pari del petrolio è giacente da millenni nel sottosuolo ed è considerata una risorsa per il futuro. Acqua di mare L'acqua di mare contiene circa il 3,5% di cloruro di sodio cioè il sale da cucina, oltre a cloruro di calcio, magnesio e potassio con piccole quantità di altre sostanze, fra cui l oro. Questi sali si sono concentrati nel mare per il continuo ciclo dell acqua durato miliardi di anni, infatti la pioggia con la sua azione disgregatrice e solubilizzante della crosta ha dilavato le terre emerse e depositato in mare i sali in soluzione e l evaporazione dalla superficie marina ha restituito all atmosfera l acqua dolce per la pioggia successiva. Le proprietà fisiche dell'acqua di mare differiscono dall acqua dolce in alcuni aspetti importanti. Essa congela a una temperatura più bassa rispetto all acqua dolce (circa a -1,9 C) e la sua densità aumenta con il diminuire temperatura fino al punto di congelamento per poi cristallizzare come ghiaccio esente da sali con un aumento considerevole di volume, invece di raggiungere la massima densità ad una temperatura sopra lo zero cioè a 3,98 C. come avviene per l acqua pura. Le maree sono il ciclico alzarsi e abbassarsi del livello del mare causato dalle forze di marea provocate dall attrazione gravitazionale della Luna. Ciò causa modifiche nel livello del mare anche di decine di metri con il risultato di far entrare l acqua di mare negli estuari dei fiumi. Gusto e odore L'acqua può sciogliere molte sostanze diverse, acquisendo sapore e odore delle sostanze in soluzione, questo ci permette di valutare la potabilità delle acqua, 4

5 evitando che l'acqua sia troppo salata o abbia un sapore o odore putrido. Il gusto dell acqua minerale del commercio deriva dai minerali in essa disciolti perché sappiamo che l acqua pura è insapore e inodore. La purezza vantata dalla pubblicità delle acque minerali si riferisce quindi alla mancanza di tossine, sostanze inquinanti o microbi, non all assenza di minerali naturali in soluzione. Acqua e zona abitabile L'acqua potabile è essenziale per gli esseri umani e per tutte le forme di vita, anche se non fornisce calorie e nutrimento. L'acqua gioca un ruolo importante nell'economia mondiale, una grande quantità del consumo di acqua dolce, circa il 70%, è fatto dall'agricoltura, però è rilevate anche la sua funzione di solvente universale per una vasta gamma di sostanze chimiche. E usata su vasta scala anche nei processi industriali e per il raffreddamento dei motori dei veicoli di trasporto. La Terra, nel sistema solare, si trova nella zona abitabile, se fosse un po più vicino o più lontano dal Sole non ci sarebbero le condizioni per permettere all acqua di esistere nelle tre forme contemporaneamente, ciò renderebbe poco probabile l esistenza della vita sulla terra. La gravità terrestre ha trattenuto e permesso la formazione di una atmosfera sulla sua superficie dalla composizione ottimale per la vita. Il vapore acqueo e l anidride carbonica hanno formato un ambiente temperato con l effetto serra, Questo ha stabilizzato la temperatura superficiale a valori relativamente costanti. Se la Terra fosse stata più piccola, anche l atmosfera sarebbe stata diversa, molto più sottile con scarsità di anidride carbonica e vapore acqueo, quindi si avrebbe carenza di acqua liquida e le temperature estreme concentrerebbero l acqua sotto forma di ghiaccio ai poli come su Marte. La temperatura della superficie della Terra è stata relativamente costante nel tempo geologico nonostante i livelli di radiazione solare siano cambiati nel corso dei millenni; ciò indica che si è creato un processo dinamico che regola la temperatura della Terra per mezzo di una combinazione di gas a effetto serra (anidride carbonica) e l acqua sotto forma di nubi, infatti l eccesso di calore sviluppa e aumenta l estensione delle nubi che riflettono e respingono l energia solare abbassando la temperatura con una azione e retroazione, questa ipotesi è conosciuta come teoria di Gaia. 5