Approfondimento

PIANO ISS P r e s i d i o M I L A N O
Istituto Tecnico Industriale Statale
Liceo Scientifico Tecnologico
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Approfondimento
L’acqua è un materiale speciale: le sue caratteristiche
chimico-fisiche
Presenza nella terra nei tre stati di aggregazione
L’acqua si trova nell’Universo allo stato solido (ghiaccio), sulle comete o anche
su altri pianeti, come Marte; nelle condizioni ambientali terrestri si trova nei
tre stati di aggregazione e, in particolare, tra 0°C e 100°C a 1,01 bar, si trova
nello stato liquido. Sono possibili variazioni di stato in funzione di temperatura
e pressione e nelle condizioni ambientali terrestri si osservano tutti i passaggi
di stato che corrispondono alle diverse situazioni meteorologiche: formazione
di neve (solidificazione di acqua liquida a 0°C), formazione di galaverna
(solidificazione di acqua liquida a
temperature inferiori a 0°C),
formazione di brina (sublimazione del
vapore che diventa solido a contatto
con oggetti freddi intrappolando aria,
con una densità inferiore a quella del
ghiaccio).
La spiegazione scientifica è
riconducibile al diagramma di stato
dell’acqua che permette di
prevedere in quale stato di
aggregazione essa si trovi in
particolari condizioni ambientali: in
particolare a pressioni superiori alla pressione atmosferica (780 mmHg, 1,01
bar) la temperatura di fusione dell’acqua è inferiore a 0°C.
La possibilità dell’acqua di “mutare di stato” nelle condizioni ambientali
terrestri è alla base del ciclo dell’acqua.
Funzione di solvente con diverse reazioni
L’’acqua scioglie molte sostanze ad esempio il sale o lo zucchero e forma
soluzioni con caratteristiche chimiche e fisiche molto diversificate, forse proprio
per questo l’acqua , è, molto probabilmente, l’ambiente dove la vita è iniziata.
La spiegazione chimico-fisica è riconducibile al dato che l’acqua è una molecola
polare con elevata costante dielettrica (80,2 contro 24, 6 dell’alcol etilico) e ai
diversi modi con cui può “sciogliere” le diverse sostanze: sono possibili diversi
meccanismi che possono essere ricondotti a tre “modelli di reazione”
A) La solubilizzazione è una reazione tra una sostanza che si scioglie
conservando la struttura dell’unità molecolare: ad esempio lo zucchero
(saccarosio C12H22O11) e molte sostanze organiche. In base a questo modello
l’acqua funziona da “disgregante della sostanza” grazie alle interazioni che si
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formano tra molecole di acqua e molecole di soluto (legami secondari tipo
dipolo elettrico-dipolo elettrico e legami a idrogeno), si “allentano” il legami
tra le molecole di soluto (in fase solida o in fase liquida) che vengono
“circondate” dalle molecole dell’acqua, distribuendosi uniformemente nella
soluzione (miscuglio omogeneo in cui non si distinguono più fisicamente
solvente e soluto)
C12H22O11(s) + H2O → C12H22O11(aq)
Equazione chimica relativa alla dissoluzione dello zucchero “saccarosio”
(s) indica che la sostanza si trova allo stato solido
(aq) ) indica che la sostanza si trova sciolta in soluzione acquosa
B) La dissociazione ionica è una reazione tra una sostanza formata da
“atomi carichi elettricamente (detti ioni positivi o cationi se hanno carica
positiva e ioni negativi o anioni, se hanno carica negativa) in numero tale da
bilanciarsi elettricamente, che si scioglie “liberando in acqua gli ioni che nella
sostanza si trovano fortemente legati tra loro: ad esempio il sale da cucina
(cloruro di sodio NaCl ), calcare (carbonato di calcio CaCO3), in genere i
componenti dei minerali (ossidi, sali, idrossidi) che dalle rocce ai corsi d’acqua.
NaCl(s) + H2O → Na(aq)+ Cl(aq)Equazione chimica relativa alla dissoluzione del sale “cloruro di sodio”
In base a questo modello l’acqua funziona da “disgregante della sostanza”
grazie alle interazioni che si formano tra molecole di acqua e gli ioni (legami
secondari tipo dipolo elettrico-ione) che vengono “circondati” dalle molecole
dell’acqua, distribuendosi uniformemente nella soluzione (miscuglio omogeneo
in cui non si distinguono più fisicamente solvente e soluto)
C) La ionizzazione è una reazione tra una sostanza molecolare che si scioglie
formando ioni: ad esempio l’ammoniaca (NH3) e l’acido acetico (CH3 COOH) e
molte sostanze che si comportano da acidi o da basi. In base a questo modello
l’acqua funziona da vero e proprio reagente cedendo un protone
(comportandosi da acido) o acquistando un protone (comportandosi da base)
NH3 + H2O → NH4+ + OHEquazione chimica relativa alla ionizzazione di una base (ammoniaca) detta
anche “reazione basica”
CH3COOH + H2O → CH3COO- + H3O+
Equazione chimica relativa alla ionizzazione di un acido (acido acetico) detta
anche “reazione acida”
Caratteristiche chimico-fisiche “speciali”: densità, calore specifico
tensione superficiale, indice di rifrazione
L’acqua possiede altre caratteristiche chimico-fisiche particolari.
- Densità: l’ acqua possiede la caratteristica di aumentare il proprio
volume durante la solidificazione in quanto i legami a idrogeno che si
instaurano tra le molecole di acqua ne ostacolano il loro avvicinamento
quando si forma il solido che di conseguenza ha una densità inferiore a
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quella del liquido (dacqua liquida = 1000 kg/m3 dacqua solida = 917 kg/m3 a
0°C)
Il calore specifico dell’acqua allo stato liquido è C = 1 cal/°C.g, cioè
occorre 1 caloria per scaldare (o raffreddare) di un grado, 1 grammo di
acqua il calore specifico dell’acqua solida (ghiaccio) è C = 0,49 cal/°C.g.
Per avere un’idea di questi valore si prenda come paragone l’alluminio
(solido) e l’oro (solido) che richiedono una quantità di calore 5 volte
inferiore il primo e 33 volte inferiore il secondo) (Calluminio = 0,2 cal/°C.g
Coro= 0,03 cal/°C.g 0,03 cal)
Tensione superficiale: i liquidi tendono ad assumere la forma di gocce
per rendere minima la superficie (la sfera è il solido che, a parità di
volume possiede la minor superficie, cioè risulta minimo il rapporto
superficie/volume), non sempre si visualizza il fenomeno in quanto
esistono altre “forze” che ne coprono gli effetti: una pozzanghera si
appiattisce per forza di gravità. L’acqua ha una tensione superficiale
abbastanza elevata γ = 7,275 .10-2 Nm-1, (per il mercurio γ = 47,00.10-2
Nm-1 , per l’acqua saponata γ = 2,6.10-2 Nm-1 per l’alcol γ = 2,23.10-2
Nm-1 , per la glicerina γ = 6,3 10-2 Nm-1e per l’olio d’oliva γ = 3,210-2
Nm-1
L’ indice di rifrazione varia con il colore della radiazione, pertanto
quando una gocciolina di acqua è investita da un raggio di luce, questa
viene rifratta secondo diversi angoli in funzione del diverso colore e si
osserva il fenomeno della separazione dei colori ce compongono la luce:
l’arcobaleno (n = 1,3404 con λ = 434 nm (violetto), n = 1,3330 con λ =
589 nm(giallo) n = 1,3312 con λ = 656 nm (rosso-arancio)
La conducibilità termica è un’altra caratteristica particolare dell’acqua:
allo stato liquido è 0, 6 W/m K, allo stato solido (ghiaccio a -20°C ) è 2,4
W/m K (Al 236, diamante 1000 – 2600, vetro 1, polistirene espanso
0,03, lana 0,05