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Da sempre è nota l'importanza di questa molecola caratterizzata da dimensioni assai modeste, ma anche da fondamentali proprietà chimico-fisiche. Fin dall'antichità, infatti, l'Uomo ha edificato i propri villaggi a ridosso di fiumi, laghi e mari, proprio in virtù di tale consapevolezza.
Oggi, a distanza di millenni, questo ruolo centrale si è addirittura acuito. La crescente richiesta d'acqua dovuta alle moderne tecnologie, unita alle mutazioni climatiche in atto, di cui l'Uomo è il principale responsabile, hanno elevato nelle comunità scientifiche di tutto il Mondo, forti dubbi sulla disponibilità delle risorse idriche per gli anni a venire. Moltissime sono le persone che attualmente non hanno regolare accesso a questo bene prezioso. Va inoltre segnalato che, soprattutto in Occidente, l'acqua è erroneamente ritenuta una risorsa inesauribile, libera e pertanto "sprecabile".
Tuttavia, si stima che in breve tempo la disponibilità di acqua potabile procapite scemerà drasticamente anche nei paesi industrializzati e c'è già chi parla dell'Eldorado del Terzo Millenio... Molte multinazionali hanno intrapreso una politica di acquisizione di fonti, sorgenti e impianti di imbottigliameto... Lo scenario che si prospetta è veramente allarmante.
Con questa brevissima introduzione, spero sia più chiara per tutti la centralità dell'acqua e quanto sia importante entrare fin d'ora nell'ottica di evitare inutili sprechi. Già nel nostro piccolo possiamo fare molto.. Si va da semplici accorgimenti, come evitare che i rubinetti di casa perdano, all'istallazione di riduttori di portata, dall'acquisto di elettrodomestici ad alta efficenza (classe A o superiore), all'uso dell'acqua prodotta da climatizzatori e deumidificatori per il ferro da stiro o per detergere i pavimenti... Fino ad arrivare a soluzioni molto più complesse, quali: l'installazione di vasche di raccolta per l'acqua piovana (da impiegare successivamente per l'irrigazione del giardino), sistemi d'irrigazione più efficienti e programmati mediante timer,...
Il web, comuque, offre un'infinità di approfondimenti a riguardo e, per chi lo desiderasse, soluzioni ai prezzi più disparati. Io rimango dell'idea che con la volontà tutto risulti più semplice!!
La molecola d'acqua è costituita da due atomi di idrogeno ("H") legati mediante legame covalente ad un atomo di ossigeno ("O"). La sua formula bruta può essere perciò così rappresentata: H2O.
Nonostante l'ibridizzazione dell'ossigeno sia di tipo sp3, cioè tetraedrica e caratterizzata, quindi, da 4 orbitali ibridi sp3 distanziati l'uno dall'altro con un angolo di legame di 109,5°, la repulsione tra i suoi 2 doppietti di non legame (cioè tra le sue due coppie di ellettroni non impegnate in legami) determina una restrizione degli angoli di legame adiacenti che assumono valori prossimi a 104,5°.
Le proprietà chimicho-fisiche dell'acqua sono da ricercare soprattutto nella natura dei suoi costituenti. Dobbiamo a questo punto, perciò, rinfrescare a chi non lo ricordasse, il concetto di elettronegatività. Con questo termine intendiamo la tendenza di un elemento, impegnato in un legame, ad attrarre verso sé la nuvola elettronica. Come suggerisce la Tavola Periodica degli Elementi (proposta dal grande scienziato russo D.I. Mendeleev), l'elettronegatività cresce lungo il periodo e diminuisce lungo il gruppo; perciò l'ossigeno sarà un elemento assai elettronegativo (la sua elettronegatività espressa in unità di Pauling è prossima a 3,5 ), mentre l'idrogeno lo sarà meno (2,1 unità di Pauling).
Questa differenza di elettronegatività sfocia nella formazione di legami polari; cioè legami in cui la densità elettronica è spostata più verso l'atomo dotato di maggiore elettronegatività. La conseguenza di tutto questo è la creazione di un dipolo elettrico, cioè un sistema costituito da due poli elettrici di uguale carica, ma aventi segno contrario e separati da una certa distanza. Nonostante la molecola nel complesso rimanga elettricamente neutra, presenterà un'estremità dotata di una parziale carica positiva (d+) ed un'altra dotata di parziale carica negativa (d-). L'acqua è quindi una molecola polare. Ora, tra i chimici di tutto il Mondo vige un motto che, tradotto in italiano, recita più o meno così: "Simile scioglie simile". Dietro questo breve scioglilingua si cela un concetto fondamentale: che le molecole polari sono più affini per i solventi polari (come ad esempio l'acqua); mentre quelle apolari lo sono maggiormente verso i solventi apolari (ad esempio esano).
Giunti a questo punto, possiamo finalmente introdurre un tipo di interazione molecolare a cui sono dovute numerose proprietà fisiche dell'acqua, quali per esempio le proprietà colligative, ecc. Parliamo perciò del legame idrogeno.
Il legame idrogeno è un tipo di interazione che avviene tra l'ossigeno di una molecola e l'idrogeno dell'altra. Esso è principalmente dovuto alla parziale differenza di carica (d) degli atomi che lo costituiscono. Questa interazione meno forte di un legame covalente, ma comunque di notevole intensità spiega la ragione per cui una molecola così piccola, dotata di una massa molecolare di circa 18, presenti un punto di ebollizione così elevato.
Un'ulteriore implicazione del legame idrogeno è la solubilità delle molecole nell'H2O, che fanno di questo composto il principale solvente (polare) presente in natura. Distingueremo pertanto tra molecole fortemente solubili in H2O (che chiameremo idrofile) e molecole fortemente insolubili in H2O (che chiameremo idrofobe). Le sue proprietà solventi sono ottimali verso i composti ionici, come ad esempio i sali, che vengono disciolti e gli ioni ottenuti vanno quindi incontro a solvatazione.
Ogni molecola d'acqua può costituire 4 legami idrogeno con altrettante molecole d'acqua (o altre molecole dotate di opportuni gruppi funzionali come alcol, etc.). Due legami idrogeno saranno costituiti a partire dai 2 siti accettori di elettroni (i 2 idrogeni), mentre gli altri due a partire dai 2 siti donatori di elettroni (i 2 doppietti di non legame dell'ossigeno).
Nella prossima dichiarazione che rilascerò vedremo quali sono gli stati della materia ed in particolare dell'acqua.
Abbiamo visto alcune peculiarità dell'acqua, passiamo ora invece ad esaminare le caratteristiche dei suoi 3 stati fisici:
- stato solido (ghiaccio): in questo stato essa conserva la propria forma geometrica indipendentemente dalla forma del recipiente che la contiene. Il ghiaccio all'aumentare della temperatura o della pressione fonde, dando luogo all'acqua liquida. In questo stato della materia, le molecole d'acqua, legate mediante i 4 legami idrogeno ad altrettante molecole d'acqua, costituiscono una struttura quasi cristallina caratterizzata dalla presenza di "tunnel esagonali" interni, questo conferisce al ghiaccio un volume maggiore rispetto all'acqua e quindi una minore densità, che è la causa della sua capacità di galleggiamnto in H2O e del motivo per cui comprimendo il ghiaccio si ottiene acqua liquida.. Quella dell'acqua, rappresenta un'eccezione rispetto agli altri solidi (in cui la forma solida coincide anche con la maggiore densità.
- stato liquido (acqua liquida): in questo stato, invece, essa assume la forma del recipiente che la contiene. Aumentando ulteriormente la temperatura oppure diminuendo la pressione abbiamo l'evaporazione e quindi la formazione di vapore acqueo. In questo caso non è ancora del tutto chiara la struttura. Secondo una moderna teoria denominata dei "clusters" (letteralmente dei grappoli), l'acqua allo stato liquido sarebbe costituita da due fasi, una continua ed una discontinua, in equilibrio dinamico tra loro; vale a dire che continuamente si rompono legami idrogeno interni alla fase continua e se ne formano nuovi a livello della discontinua.
- stato gassoso (vapore): in questo stato, infine, l'acqua tende a riempire tutto il recipiente che la contiene, assumendone la forma. Se il ghiaccio rappresenta il polimero dalla struttura cristallina, il vapore rappresenta il monomero.
Ghiaccio e acqua differsicono quindi sostanzialmente nella distanza tra le molecole, ossia nella lunghezza dei legami idrogeno (maggiore per il ghiaccio).
Fatte queste premesse, elencheremo qui di seguito alcune proprietà fondamentali correlabili alla forte interazione tra molecole vicine dovute ai legami idrogeno:
- l'acqua possiede elevato calore latente di evaporazione, perciò necessita di una notevole somministrazione di calore sia per scaldarsi sia per evaporare con minime variazioni di temperatura.
- a pressione atmosferica a livello del mare (circa 1atm, che corrisponde ad approssimativamente 105Pa) possiede elevato punto di fusione (0°C) e di ebollizione (100°C).
Le proprietà collegative dipendono tutte dal fatto che l'acqua pura se addzionata di soluti, cambia la sua struttura e le sue proprietà caratteristiche. Esse trovano importanti applicazioni nella vita di tutti i giorni, oltre ovviamente all'industria alimentare. Le trovate elencate di seguito:
Grazie mille per ciò che hai scritto, ma soprattutto per aver rispolverato questa vecchia Discussione.
Per quanto mi riguarda, è stato un tuffo nel Passato; un riemergere vorticoso di ricordi. Un po' come il celebre episodio delle Petites Madeleines nell'immortale Alla ricerca del tempo perduto di Marcel Proust.
Sono convinto che - in quanto differente - la tua Formazione possa risultare oltremodo utile qui su TAFF; contribuendo ad arricchire un Modus (il nostro) che, alternativamente, correrebbe il rischio di divenire arido.. Per non dire mutilo. Dopotutto, i più grandi Uomini del Passato sovente si occupavano di Letteratura ed Arte (più in generale), oltre che di Scienza.
