Acqua, bene primario

L'acqua (dal greco υδορ-υδατος) è un composto chimico di formula molecolare H2O, in cui i due atomi di idrogeno sono legati all'atomo di ossigeno con legame covalente polare. In condizioni di temperatura e pressione normali si presenta come un sistema bifase – costituito da un liquido incolore e insapore (che viene chiamato "acqua" in senso stretto) e da un gas incolore (detto vapore acqueo). Si presenta allo stato solido (detto ghiaccio) nel caso in cui la temperatura sia uguale o inferiore alla temperatura di congelamento. Essendo l'acqua un ottimo solvente, le acque naturali contengono disciolte moltissime altre sostanze, ed è per questo motivo che con il termine "acqua" si intende comunemente sia il composto chimico puro di formula H2O, sia la miscela (liquida) formata dallo stesso, con altre sostanze disciolte al suo interno. L'acqua in natura è tra i principali costituenti degli ecosistemi ed è alla base di tutte le forme di vita conosciute, compreso " l'Homo sapiens sapiens "; ad essa è dovuta anche la stessa origine della vita sul nostro pianeta ed è inoltre indispensabile anche nell'uso civile, agricolo e industriale; l'uomo ha riconosciuto sin da tempi antichissimi la sua importanza, identificandola come uno dei principali elementi costitutivi dell'universo e attribuendole un profondo valore simbolico, riscontrabile nelle principali religioni. Sul pianeta Terra l'acqua copre il 71,11% della superficie del pianeta ed è il principale costituente del corpo umano.

I cambiamenti di stato dell'acqua

L'acqua è una delle pochissime sostanze esistenti (insieme a gallio, bismuto e antimonio) in cui il processo di solidificazione avviene con un aumento di volume specifico (pari a circa 0,087 L/kg, alla temperatura di 0 °C (273,15 K) alla pressione di 1 atm), mentre il suo punto di ebollizione è a 100 °C (373,15 K).

Ciò comporta che alla diminuzione della temperatura, la pressione corrispondente al passaggio di stato solido-liquido aumenti sensibilmente: si ha una pendenza negativa della linea di passaggio solido-liquido nel diagramma di fase pressione-temperatura.

In particolare, 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.

Alla pressione atmosferica (1 atm) l'acqua bolle alla temperatura di 100 °C. Come per tutte le altre sostanze, durante la trasformazione è necessario fornire 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 1 atm questo calore di vaporizzazione è infatti pari a 2501 kJ/kg.

Fra i 90 °C e i 250 °C vale la regola empirica per cui la pressione di vaporizzazione (in bar) è pari alla quarta potenza della centesima parte della temperatura di vaporizzazione (in gradi Celsius): p vap = (T vap / 100)4 .

 

Proprietà chimico-fisiche dell'acqua

Confrontata con altre sostanze dalle molecole simili per massa o omologhe di altri elementi dello stesso gruppo della tavola periodica (ad esempio l'acido solfidrico), l'acqua allo stato liquido presenta alcune anomalie:

  • un punto di ebollizione molto alto;
  • un volume molare piuttosto basso;
  • un calore specifico elevato con un minimo a 35 °C;
  • una viscosità che presenta un minimo alle alte pressioni;
  • un punto di massimo nel diagramma densità-temperatura, per cui al di sotto della temperatura di massimo il liquido diminuisce di volume all'aumentare della temperatura.

Inoltre durante il processo di congelamento si ha un notevole aumento di volume. Queste anomalie sono causate dal fatto che l'organizzazione cristallina, dovuta nel ghiaccio ai legami idrogeno, sussiste ancora nell'acqua liquida, costituendo un edificio macromolecolare lacunare con legami interni mobili che diminuiscono di numero all'aumentare delle temperature e che formano un insieme di agglomerati polimerici a grappolo in equilibrio dinamico, e di molecole libere o legate in catene o in anelli.

A differenza della maggior parte delle altre sostanze, per le quali la forma solida presenta una densità maggiore rispetto alla forma liquida, il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. La densità dell'acqua è, infatti, massima a 4 °C, temperatura alla quale l'acqua è liquida. Ciò è dovuto appunto alla natura dei legami idrogeno, che tengono le molecole dell'acqua liquida più strette di quanto non lo siano allo stato solido. Le superfici ghiacciate dei laghi e degli oceani permettono lo sviluppo della vita nell'ambiente sottostante. Questo è possibile perché il ghiaccio, avendo una densità minore dell'acqua liquida, galleggia sopra di essa, per cui sotto il ghiaccio la temperatura sarà maggiore di 0 °C. Altrimenti la bassa temperatura non permetterebbe agli organismi marini di vivere. Il fenomeno dell'espansione dell'acqua a basse temperature costituisce un vantaggio 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, e per la spinta di Archimede l'acqua più fredda rimane in superficie, dove, con un ulteriore calo della temperatura, forma uno strato di ghiaccio. Se l'acqua non avesse questa particolarità, i laghi ghiaccerebbero interamente, e di conseguenza tutte le forme di vita presenti morirebbero.

La situazione nelle acque salate è differente: il sale contenuto nell'acqua abbassa infatti sia il punto di congelamento dell'acqua (di circa 2 °C, per il fenomeno dell'abbassamento crioscopico) sia la temperatura a cui l'acqua raggiunge la sua massima densità (fino a circa 0 °C). Quindi nelle acque marine i moti convettivi che portano verso il fondo l'acqua più fredda non sono bloccati dal gradiente di densità, come avviene nelle acque dolci. Per questo le creature che vivono sul fondo degli oceani artici si sono dovute adattare, durante il loro processo evolutivo, a sopravvivere a temperature prossime a 0 °C. Alle normali condizioni di salinità dell'acqua di mare, l'acqua congela a circa −1,9 °C. Il ghiaccio che si forma è sostanzialmente privo sale (per cui presenta una densità pressoché uguale a quella del ghiaccio di acqua dolce). Questo ghiaccio galleggia sulla superficie, mentre il sale che ne è stato "espulso" aumenta la salinità e la densità dell'acqua circostante, 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 coesistono in equilibrio tra loro è detta punto triplo. Per l'acqua il punto triplo viene assunto come riferimento per la misurazione della temperatura, avendo fissato per convenzione che questi è a 273,16 K (e a 0,01 °C); la pressione al punto triplo dell'acqua è di 611,2 Pa, che è un valore molto basso, se si considera che al livello del mare la pressione atmosferica vale mediamente 101.300 Pa.

L'acqua pura (distillata) è un buon isolante elettrico (cioè un cattivo conduttore). Ma, essendo anche un buon solvente, nella pratica sovente reca in sé tracce di sali disciolti in essa, che, con i loro ioni la rendono un buon conduttore di elettricità. In teoria il pH dell'acqua pura a 25 °C è 7. In pratica, date le sue buone capacità solventi, l'acqua pura è difficile da trovare in natura. 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 5,6. Analogamente le gocce di pioggia presentano sempre una seppur 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 minori di 5 (in Italia si sono registrati anche piogge acide con valori di pH intorno a 3,5), i cui effetti sull'ambiente sono ben più seri. Il pH dell'acqua di mare è tra 7,7 e 8,4.

Il colore dell'acqua

L'acqua risulta blu perché quando la luce del sole, che contiene tutti i colori, vi penetra, alcuni colori vengono assorbiti dalle sue molecole, in particolare esse assimilano maggiormente i colori arancione e rosso, quindi quando la luce arriva ai nostri occhi ha minore colorazione arancione e rossa e ci appare come se fosse più blu rispetto a ciò che chiamiamo luce bianca. Invece per quanto riguarda l'acqua marina il motivo della colorazione è un po' diverso: i plancton che vi vivono, infatti, assorbono un po' di luce blu e rossa mentre la grande quantità di materia organica disciolta assorbe quasi esclusivamente luce blu. Questo fa sì che la luce restante tenda ad un blu più profondo e violaceo rispetto all'azzurro pallido dell'acqua pura. Invece il colore verde turchese delle acque dei mari del sud e delle isole dei Caraibi è dovuto all'ingente presenza di fitoplancton, diffusore particolarmente efficace di luce gialla e verde.

L'acqua come solvente

Chimicamente l'acqua è un buon solvente. Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, dal momento 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). Il comportamento di solvente dell'acqua è determinato dalla polarità della sua molecola: quando un composto ionico o polare viene disciolto in acqua, viene circondato dalle molecole di acqua, le quali, si inseriscono tra uno ione e l'altro o tra una molecola e l'altra di soluto (grazie alle loro piccole dimensioni), 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 (o idratato), cioè circondato completamente da molecole d'acqua che interagiscono con esso. 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 favorita dal punto di vista energetico la formazione di legami a idrogeno al suo interno, piuttosto che la formazione di legami di Van der Waals con molecole non polari.

L'importanza biologica dell'acqua

L'acqua è una componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta. Si trova in elevate percentuali nelle cellule (in particolare nel citoplasma e nei vacuoli – presenti nelle cellule vegetali e in alcuni protisti), al cui interno viene convogliata attraverso il processo di pinocitosi. Nel protoplasma di tutte le cellule, sia procarioti sia eucarioti, l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come solvente per tutte le biomolecole (come carboidrati, proteine, vitamine idrosolubili ecc.), dando loro la possibilità di reagire tra di loro nelle varie reazioni biochimiche. Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche, soprattutto quelle di idrolisi, ed è, assieme all'anidride carbonica, uno dei principali reagenti della fotosintesi clorofilliana; è inoltre, sempre assieme alla CO2, il prodotto conclusivo del processo di respirazione cellulare. Essendo il principale costituente della gran parte dei viventi, l'acqua è quindi presente anche nell'organismo umano, in percentuali variabili a seconda dell'età, del sesso e del peso. I fluidi corporei che hanno il maggiore contenuto di acqua sono il liquido cefalo-rachidiano (99%), il midollo osseo (99%) e il plasma sanguigno (85%). Risulta quindi di fondamentale importanza per il trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione, tramite l'urina, delle scorie prodotte nelle reazioni biochimiche. L'acqua inoltre svolge una funzione determinante nella regolazione della temperatura corporea (tramite la sudorazione) e della concentrazione dei sali minerali; partecipa inoltre alla digestione, favorendo il transito intestinale e l'assorbimento delle sostanze nutritive. Proprio perché l'acqua deve essere presente in quantità molto elevate nell'alimentazione umana viene classificata come "macronutriente". Nelle piante è il componente principale della linfa, che ha la funzione di trasportare i principi nutritivi in tutti i tessuti, e dei vacuoli, che regolano la pressione osmotica. Nell'organismo umano l'acqua costituisce il 65% del peso corporeo, diminuendo gradualmente all'avanzare dell'età e a seconda del sesso.

 

(Inserire tabella :Totale acqua corporea come % del peso)

 

L'acqua e la zona abitabile

La presenza di acqua liquida (e in misura minore nelle forme gassosa e solida) sulla Terra è una condizione essenziale per lo sviluppo e il sostentamento della vita come la conosciamo. La Terra presenta tali condizioni favorevoli poiché si trova in quella che gli astronomi definiscono zona abitabile del sistema solare, ovvero una stretta fascia orbitale in cui l'irraggiamento da parte del Sole è tale da mantenere l'acqua allo stato liquido: infatti, se solo il nostro pianeta fosse stato più lontano o più vicino alla nostra stella, anche solo del 5% (otto milioni di chilometri), le condizioni in grado di mantenere simultaneamente i tre stati fisici dell'acqua avrebbero avuto minori possibilità di verificarsi. Perché possa ospitare condizioni favorevoli alla presenza di acqua liquida, un pianeta deve possedere una gravità superficiale in grado di trattenere un cospicuo involucro atmosferico; essa non deve essere troppo grande (in quanto potrebbe mantenere allo stato solido l'acqua anche ad elevate temperature), ma neanche troppo piccola (in quanto tratterrebbe solamente una tenue atmosfera, causando eccessive escursioni termiche e favorendo l'accumulo di acqua solamente nelle regioni polari). La presenza poi di vapore acqueo e diossido di carbonio nell'atmosfera causa un effetto serra che consente di mantenere stabile la temperatura superficiale.