Acqua
• E’ la molecola più abbondante nel corpo
• E’ vitale
Uova di rana in ambiente acquoso
Proprietà chimica dell’acqua
• I legami O-H sono covalenti polari.
Infatti, l’ossigeno attira fortemente gli
elettroni di legame, spostando la loro
carica negativa su di sé, mentre sugli
atomi di idrogeno si accumula una
parziale carica positiva. La distribuzione
asimmetrica della carica elettrica rende la
molecola polare.
Il legame a idrogeno
• La presenza di cariche parziali positive sugli atomi H e negative sugli
atomi O fa orientare le molecole in modo che siano più efficaci le
attrazioni elettrostatiche.
• Quando le molecole di acqua sono sufficientemente vicine tra esse si
forma un legame a idrogeno, un particolare esempio di legame
intermolecolare.
• Nel legame a idrogeno gli atomi O–H···O devono essere
allineati. Le molecole legate da legami a idrogeno sono
costrette a orientarsi e distanziarsi per rispettare la geometria
del legame.
Il legame a idrogeno
Gli atomi O–H···O
sono allineati
Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011
Il legame a idrogeno
La stragrande maggioranza delle proprietà fisiche dell’acqua deriva
dalla sua polarità e dalla presenza del legame a idrogeno.
Valtutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura © Zanichelli editore 2011
Acqua, temperatura e legami idrogeno
Struttura cristallina
• Allo stato solido le molecole, per la presenza dei legami idrogeno,
occupano posizioni geometriche molto precise, in un’impalcatura
tridimensionale stabile chiamata reticolo cristallino.
Stato liquido e ghiaccio
• Nello stato liquido la disposizione delle molecole è disordinata, quasi
come nel vapore, le molecole hanno elevata mobilità e si scambiano di
posto frequentemente.
• Il numero di legami idrogeno è molto minore che nel solido.
• La formazione di legami a idrogeno comporta un allontanamento delle
molecole d’acqua passando allo stato solido.
• A differenza di quanto avviene per la maggior parte dei materiali, la
densità dell’acqua solida (ghiaccio) è quindi minore di quella dell’acqua
liquida
Acqua liquida e ghiaccio
Questo fenomeno è di incredibile importanza per la vita. È possibile vivere
negli oceani sotto la calotta polare, e negli abissi oceanici la temperatura
rimane sempre superiore a 0°C.
Acqua liquida e vapore
• Per passare allo stato aeriforme si devono spezzare tutti i legami a
idrogeno. Questo avviene a una temperatura molto elevata (100°C),
quando le molecole hanno sufficiente energia cinetica.
L’acqua
• L’acqua è liquida tra 0° e 100°C, un intervallo di temperatura molto
grande. Infatti la superficie del globo terrestre è occupata per più di due
terzi da oceani, e la maggior parte dei fenomeni chimici naturali avviene
in ambiente acquoso.
Calore specifico
• Il calore specifico è la quantità di energia che deve assorbire (o cedere) 1 kg di
materiale per aumentare (o diminuire) di 1 K la sua temperatura
• Per raggiungere la temperatura di 100 °C l’acqua deve assorbire un’elevata quantità
di calore.
• Mettiamo un pentolino d’acqua sul fuoco. Dopo alcuni secondi:
–
Se tocchiamo il metallo ci bruciamo: il metallo ha un basso calore specifico (conduce il
calore);
–
L’acqua, è ancora fredda: l’acqua ha un elevato calore specifico (è un isolante termico).
Calore specifico
• Dall’elevato calore specifico dell’acqua deriva:
- l’azione mitigatrice dei climi delle località costiere o lacustri,
- parte della stabilità termica degli organismi viventi.
Tensione superficiale
• La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a lasciarsi attrarre
verso l’interno.
• La tensione superficiale fa sì che l’acqua si comporti come una pellicola, e che le gocce
d’acqua siano sferiche.
• A causa della tensione superficiale il liquido tende ad assumere la forma che gli permette di
avere la minore area superficiale (la forma sferica).
Tensione superficiale
Le forze attrattive che agiscono sulle
molecole
di
superficie
non
sono
bilanciate: ciascuna molecola di superficie
risente di una forza che la attira verso
l’interno
e,
per
questo
superficie tende a contrarsi.
motivo,
la
Tensione superficiale
• La tensione superficiale diminuisce all’aumentare della
temperatura.
• I tensioattivi contenuti nei detersivi riducono moltissimo la
tensione superficiale dell’acqua.
• I tensioattivi riducono la tensione superficiale tanto che l’aria
può essere incorporata nel liquido e formare una schiuma.
La Capillarità
• Se immergiamo un tubicino di vetro (capillare) in acqua, essa penetra
nel tubicino e raggiunge un’altezza tanto più alta quanto più è
stretto il tubicino.
• Questo fenomeno, chiamato capillarità, sembra un paradosso
perché contravviene al principio di Archimede dei vasi comunicanti.
Capillarità
•
La capillarità è dovuta alle proprietà chimiche e fisiche
dell’acqua:
–
coesione, cioè attrazione reciproca tra le molecole d’acqua attraverso il
legame a idrogeno;
–
adesione, cioè affinità chimica delle molecole d’acqua per il vetro,
dovuta alla loro polarità.
Capillarità
•
Le molecole di acqua a contatto con il vetro vi aderiscono e
tendono a salire lungo il capillare bagnandolo.
•
Le molecole all’interno sono coese tra loro e tendono a
resistere alla risalita.
•
La contrapposizione di queste forze fa sì che la superficie del
liquido prenda una forma emisferica, detta menisco.
Capillarità
L’acqua bagna il vetro, quindi sale nel
capillare e si forma un menisco
concavo.
Il mercurio non bagna il vetro, la
salita nel capillare è ostacolata dalla
coesione tra le particelle e il menisco
è convesso.
L’acqua come solvente
• Molte sostanze tendono spontaneamente a miscelarsi con l’acqua.
• La teina e la catechina sono sostanze che si liberano dalle foglie di tè messe
in infusione in acqua calda, formando una soluzione acquosa.
• Perché si formi una soluzione (cioè un miscuglio omogeneo), si devono
rompere i legami tra le particelle di soluto e molti dei legami tra le
particelle di solvente.
• Al loro posto si formano legami tra le particelle del soluto e del solvente
L’acqua come solvente
• L’acqua è in grado di solubilizzare sostanze ioniche (come NaCl) e
sostanze polari (come HCl e gli zuccheri).
• L’azione delle molecole di acqua sui composti ionici indebolisce i legami
ionici.
L’acqua come solvente
L’acqua come solvente
• Analogamente, quando le molecole di H2O interagiscono con
sostanze polari come HCl, riescono a rompere i legami covalenti
polari formando ioni idrati.
• Le soluzioni in cui sono presenti ioni come soluti conducono la
corrente elettrica e sono dette soluzioni elettrolitiche.
