Corso di Chimica dell’ambiente
Prof. Bruno Pavoni
Dipartimento di Scienze ambientali, informatica e statistica
Università di Venezia
Calle larga S. Marta 2137. 30123 Venezia
Tel. Studio: 041 234 8522, lab. 041 234 8597; e-mail: [email protected]
La Chimica dell’ambiente
La chimica dell’ambiente è quella disciplina, che studia i processi chimici
che avvengono nell’acqua, nel suolo, nell’atmosfera con lo scopo di
scoprire le fonti, le reazioni, il trasporto e gli effetti delle diverse sostanze
chimiche.
La Chimica dell’Ambiente
non si identifica né con la chimica analitica, né con la chimica inorganica, organica
o chimica fisica,
è un approccio globale che, avvalendosi delle esperienze delle varie
specializzazioni della chimica tradizionale, cerca di ottenere un
quadro il più possibile preciso e dettagliato dei fenomeni chimici che avvengono
nell’ambiente includendo sia quelli naturali che quelli indotti dalle attività
umane
2
Per questa sua natura la Chimica dell’ambiente è una disciplina di frontiera;
ha infatti strette relazioni con
la biologia, in quanto gli organismi viventi influenzano e sono
influenzati dai fenomeni chimici,
con l'ecologia in quanto la crescita di popolazioni di organismi è
vincolata alla disponibilità di composti chimici come i nutrienti,
con la geologia perché la natura chimica di un corpo d'acqua dipende
dalla formazioni rocciose con cui è a contatto,
con l'idrologia, la statistica ecc.
3
Programma
Gli argomenti principali sono:
1- La chimica dell’acqua:
Proprietà dell'acqua e dei corpi d'acqua
I fondamenti della chimica dell'acqua:
Equilibri acido-base e di complessamento
Sistemi ossido-riduttivi
Interazioni di fase: Solubilità-Formazione di sedimenti
Il ruolo degli organismi nei processi chimici delle acque: cicli degli
elementi principali: carbonio, azoto, zolfo…
Inquinamento delle acque
Trattamento delle acque
Questi argomenti sono trattati nel presente corso
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Attività didattica integrativa:
Visita ad Impianto di potabilizzazione (Ca’ Solaro) e ad Impianto di
Trattamento acque urbane (Fusina)
Esercitazione interdisciplinare in campo (luglio 2012, Falcade,
BL)
Analisi delle acque dei torrenti Cordevole e Biois
Materiale del corso: Fornito dal docente in forma elettronica
Esame: Scritto e orale
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2 - La chimica dell’acqua di mare:
Corso della laurea magistrale: Chimica del mare
Chimica dell’ambiente applicata al mare
3 - La chimica dell'atmosfera
Corso della laurea magistrale: Chimica dell’atmosfera
L'atmosfera e la chimica atmosferica
Il particolato atmosferico
Inquinanti inorganici gassosi
Inquinanti organici dell'aria
Lo smog fotochimico (inquinamento urbano)
I danni causati all'atmosfera su scala globale: pioggia acida, effetto serra, Buco
dell’ozono stratosferico.
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Bibliografia del corso
Testi base:
S. E. Manahan, Environmental Chemistry, Lewis Pub. Boca Raton, FLA, 2009, IX Ed.
Ediz. Ital. Chimica ambientale sulla VI Ediz., Piccin Editore, Padova, 2000.
C. Baird, Environmental Chemistry, W.E. Freemand and Company, N.Y., 1995.
Ediz. Ital. Chimica ambientale Edit. Zanichelli, Bologna, 2006.
7
Testi di riferimento e/o approfondimento:
S. M. Libes, An introduction to marine biogeochemistry, J. Wiley & Sons, N.Y, 1992.
W. Stumm, J.J. Morgan, Aquatic chemistry, III Ed., J. Wiley and Sons N.Y.I 1995.
B. J. Finlayson-Pitts, J.N. Pitts, Atmospheric chemistry, J. Wiley and Sons, N.Y.,1986.
M. Amdur, J. Doull, C. Klaassen, Casarett and Doull’s Toxicology, Mc Graw Hill, N.Y.,
1991.
F. Millero, Chemical Oceanography, CRC Press, Boca Raton, 1996.
Bosellini, Le scienze della
A.
terra, Italo Bovolenta Editore, Ferrara, 1990.
G. Vollmer, M. Franz, La chimica di tutti i giorni. Zanichelli, Bologna, 1994.
E. Roques, Chemical water treatment. Principles and practice, VCH Publisher, N.Y.,
1995.
J. M. Bokris, Environmental Chemistry, Plenum Press, N.Y., 1977.
8
Cultura personale:
R. Carson, Primavera silenziosa, Feltrinelli, 1976.
D. Lapierre, Mezzanotte e cinque a Bhopal, Mondadori, 2001.
T. Flannery, I signori del clima, Corbaccio. 2005
F. Casson, La fabbrica dei veleni, Sperling & Kupfer, 2007
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Cap. 2. Proprietà dell'acqua e dei corpi d'acqua
2.1. ACQUA: QUALITA', QUANTITA' E CHIMICA
La qualità e la quantità di acqua disponibile sono stati e sono fattori di vitale
importanza per il benessere degli uomini.
In passato: Cambiamenti climatici che hanno portato a scarsità d'acqua hanno causato
la scomparsa di intere civiltà. Es. Sahara
Il consumo di acqua infetta ha causato l'insorgenza di gravi epidemie di tifo e
colera, che hanno decimato intere popolazioni
Ai giorni nostri: Siccità spaventose succedutesi in Africa negli anni 1980 hanno causato
catastrofiche perdite di raccolti e carestie.
Verso la fine del 1990, nel quinto consecutivo anno di siccità è stata necessaria
l'imposizione del razionamento dell'acqua in California.
Epidemie di colera, originate dal consumo di acqua infetta, sono scoppiate
recentemente in paesi meno sviluppati.
10
Al presente:
I problemi legati alla disponibilità di acqua di buona qualità e abbondante,
stanno diventando più seri, in quanto
aumentano i consumi di acqua con l'aumento della popolazione,
aumentano i rischi di contaminazione dell'acqua potabile per lo scarico improprio
di sostanze pericolose,
aumenta l'esposizione degli animali selvatici ad acque inquinate.
Questo capitolo tratta in generale le proprietà dell'acqua e dei corpi d'acqua, siano
essi fiumi, laghi, estuari e oceani,
Nei capitoli seguenti saranno sviluppati in dettaglio i vari aspetti relativi al pH
dell’acqua, le reazioni ossido-riduttive, la solubilità.
11
2.2. CICLO DELL'ACQUA, FONTI, USI
In Fig. 2.1 viene riportato schematicamente il ciclo globale dell'acqua.
A livello planetario, l'acqua si trova:
negli oceani;
come vapore nell'atmosfera (nubi);
allo stato solido come ghiaccio e neve
in ghiacciai, calotte polari;
come acqua di superficie in laghi,
corsi d'acqua e bacini,
come acqua profonda in falde sottoterra.
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Le attività umane intervengono significativamente nel modificare le relazioni tra
l'idrosfera e la litosfera o terra.
Per esempio,
la trasformazione di pascoli o foreste in terre coltivabili e
l'intensificazione della produzione agricola con l’uso massiccio di
fertilizzanti
possono ridurre la copertura vegetativa,
diminuendo la traspirazione (perdita di acqua da parte delle piante)
e causando un cambiamento del microclima.
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Ne derivano come conseguenze:
i. una probabile diminuzione delle precipitazioni, con piogge brevi, molto
forti;
ii. l'aumento del dilavamento superficiale, dell'erosione e dell'accumulo di
materiale fine (limo) nei corpi d'acqua;
Altro importante fattore di cambiamento indotto dall’uomo: Urbanizzazione,
cementificazione:
riduzione della captazione→ impoverimento delle falde→ abbassamento dei livelli→
inquinamento delle falde.
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L'acqua per uso umano
è principalmente acqua dolce di superficie e sotterranea.
In regioni costiere aride parte dell'acqua viene anche dagli oceani1; è resa
potabile con processi di desalinizzazione.
Questa fonte probabilmente diverrà più importante in futuro dal momento che la
disponibilità mondiale di acqua dolce diviene sempre più scarsa rispetto alla domanda.
In alcune aree possono essere utilizzate anche acque sotterranee salate o
salmastre
o acque dolci in depositi di grande profondità formatisi in epoche geologiche
remote (acqua fossile, Tunisia)
Le acque sotterranee e di superficie hanno caratteristiche notevolmente differenti.
L’acqua di mare o salmastra può essere desalinizzata con:
Osmosi inversa, elettrodialisi, distillazione solare, distillazione industriale multistadio. Cap. VIII del
corso. J. M. Bokris, Environmental chemistry: Cap. 20. The desalination of water
1
15
L'acqua di falda
in genere è migliore dell'acqua di superficie per il consumo umano.
Può in qualche caso avere un contenuto notevole di sali indesiderati, perché scioglie
dei minerali dalle formazioni rocciose con le quali viene a contatto,
La maggior parte dei microorganismi presenti originariamente nell'acqua sono
gradualmente filtrati via durante il suo passaggio attraverso le formazioni minerali.
Le acque superficiali,
durante il loro corso verso l'oceano, sciolgono o sospendono molte sostanze.
L'acqua superficiale in un lago o in un bacino può contenere gli elementi nutritivi
essenziali allo sviluppo delle alghe e sviluppare una massiccia crescita di queste.
Acque superficiali con un'alta concentrazione di materiale organico biodegradabile in
genere contengono abbondanti popolazioni di batteri, che di esso si nutrono.
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Esempio di Bilancio dell'acqua
Stime effettuate per gli Stati Uniti continentali:
ca. 1.48x1013
L giorno-1
76 cm anno-1
Traspirazione o evaporazione: ca. 1.02x1013
L giorno-1
53 cm anno-1
Precipitazione media:
Restano teoricamente:
ca. 4.4x1012
L giorno-1
23 cm anno-1.
Consumi attuali:
ca. 1.6x1012
L giorno-1
8 cm anno-1.
L giorno-1
0.85 cm anno-1
Consumo all'inizio del 1900: ca. 1.66x1011
Var.: + 10 volte.
Consumo pro capite:
1900
giorni nostri
ca. 40 L persona-1 giorno-1
ca. 600 L persona-1 giorno-1 Var.: + 15 volte.
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Distribuzione consumi attuali:
usi industriali
usi agricoli
usi civili
Italia (città di Torino)
Media Italia
46 %
46 %
8%
1952
239 L persona-1 giorno-1
1970
1987
360 L persona-1 giorno-1
416 L persona-1 giorno-1
2003
200 L
18
persona-1 giorno-1
Consumo nelle città (L abitante-1 giorno-1)
(Media Italia: 200 L abitante-1 giorno-1)
Le più sprecone
Latina
Frosinone
Vibo Valentia
Venezia
Le più econome
692.14
641.21
469.67
413.54
Ascoli Piceno
Palermo
Forlì
Taranto
127.30
138.66
154.18
161.28
Utilizzi dell’acqua (milioni di m3 anno-1)
ITALIA
Civili
7 940
19 %
Industriali Irrigui
7 986
20 137
19 %
48 %
19
Energia
5 919
Totale
41 982
15 %
100 %
La distribuzione delle precipitazioni nel tempo e nello spazio non è uniforme.
20
Carta della piovosità in Italia (A. Bosellini, Le scienze della terra, Italo Bovolenta Editore, Ferrara, 1990).
21
2.3. LE PROPRIETA' DELL'ACQUA, UNA SOSTANZA ECCEZIONALE
Lo studio dell'acqua si chiama idrologia
Sub-categorie:
Limnologia:
è la disciplina che studia le caratteristiche dell'acqua dolce, comprese le
proprietà chimico-fisiche e biologiche.
Oceanografia: la scienza dell'oceano e delle sue caratteristiche chimico-fisiche.
L'acqua ha una serie di proprietà straordinarie che sono indispensabili alla vita, molte
delle quali sono dovute alla possibilità della molecola d'acqua di formare legami
idrogeno.
Queste caratteristiche sono riassunte nella tabella 2.1.
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Tabella 2.1. Importanti proprietà dell'acqua.
Proprietà
Effetti e importanza nell’ambiente fisico e biologico
Eccellente solvente
Trasporta nutrienti e prodotti di rifiuto rendendo
possibili i processi biologici
Ha la più alta costante dielettrica Permette la solubilizzazione e la ionizzazione delle
di ogni altro comune liquido
sostanze polari in soluzione
Ha la più alta tensione
superficiale di ogni altro liquido
Importante in fisiologia: governa i fenomeni di capillarità,
la formazione delle gocce e l’interazione con le superfici
E' trasparente alla luce nel visibile
e nell’ UV a maggiore lunghezza
d'onda
E' incolore e permette alla luce necessaria alla
fotosintesi di raggiungere considerevoli profondità nei
corpi d'acqua
Come liquido ha la massima
densità a 4 °C
Il ghiaccio galleggia; la circolazione verticale è limitata in
corpi d'acqua stratificati
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Ha un notevolmente alto calore di
vaporizzazione
Calore di vaporizzazione: 585 cal g-1, 2.4 kj g-1 (10 kcal
mole-1, 44 kj mole-1 a 20°C).
Regola il passaggio del calore e di molecole d'acqua tra
l'atmosfera e i corpi d'acqua. Un corpo d'acqua funziona
da volano termico per una regione.
Ha il più alto calore di fusione di
ogni altro liquido ad eccezione
dell'ammoniaca
Al punto di congelamento dell'acqua la temperatura è
stabilizzata.
Sono pochi i grossi bacini che solidificano
completamente, perché il ghiaccio in superficie protegge
l'acqua sottostante
Ha la più alta capacità termica di
ogni altro liquido ad eccezione
dell'ammoniaca
Capacità termica: 1 cal (4.184 j) g-1 grado-1.. Serve tanto
calore per cambiare la temperatura dell'acqua.
Protegge gli organismi da grossi sbalzi di temperatura.
Stabilizza la temperatura di regioni geografiche.
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La struttura molecolare dell’acqua (H2O)
La struttura molecolare dell’acqua è mostrata nella seguente Figura.
Ciascun atomo di idrogeno è chimicamente legato all’atomo di ossigeno.
La maggiore elettronegatività dell’atomo di ossigeno e i suoi due doppietti di
elettroni non condivisi fanno in modo che la parte della molecola occupata
dall’ossigeno possieda una piccola carica negativa.
+
La parte di molecola occupata dagli idrogeni ha una piccola carica positiva.
25
Dal momento che esiste questa diseguale distribuzione della carica, questi legami (OH) vengono chiamati legami covalenti polari.
Poiché queste cariche sono significativamente più deboli di quelle associate agli
ioni e ai legami ionici, sono rappresentate dai simboli - e +.
104.5° vs 109.5°
L’atomo di ossigeno possiede in totale 4 doppietti di elettroni, facendo in modo che la
molecola di acqua abbia una geometria tetraedrica.
In una geometria tetraedrica ideale gli angoli di
legame sono di 109.5°.
Gli angoli di legame nell’acqua sono
leggermente più piccoli (104.5°), dal
momento che i doppietti di elettroni non
condivisi occupano un volume maggiore dei
doppietti di legame.
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Il legame idrogeno nell’acqua
La forza che nel ghiaccio influenza l’orientazione delle molecole d’acqua si
chiama legame idrogeno.
Il legame idrogeno è una forza intermolecolare relativamente debole.
Infatti:
Legame idrogeno H--- O --- H: 4.78 Kcal, 20 KJ
Legame covalente: O-H 110 Kcal, 459 KJ
E’ dovuto alla attrazione elettrostatica esercitata dalla parte di una
molecola caricata negativamente verso la parte caricata positivamente di
una molecola vicina.
Come mostrato in Figura, questa attrazione fa in modo che i doppietti non
condivisi nelle parti delle molecole contenenti ossigeno si orientino
verso gli atomi di idrogeno delle molecole vicine.
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Ghiaccio
Nel ghiaccio tutte le molecole hanno formato il numero massimo di legami
idrogeno, cioè quattro per molecola.
Oppure si può dire che ogni atomo di
ossigeno ha legati quattro atomi di idrogeno,
due con legami covalenti e due con legami
idrogeno.
Questo fatto crea la disposizione spaziale
illustrata in Figura: in proiezione sembrano
degli esagoni, in realtà i vertici sono su piani
differenti.
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Acqua liquida
L’acqua liquida possiede una struttura a legami idrogeno incompleta, che risulta
ordinata solo per piccoli tratti, come mostrato in Figura.
Maggiore è la temperatura dell’acqua, minore è l’ordine della disposizione.
Anche se la struttura dell’acqua liquida non è nota nei dettagli, si ritiene che
questa fase sia composta di agglomerati transitori di molecole, risultanti dalla
formazione di legami idrogeno multipli.
Dal momento che allo stato liquido le molecole possiedono
un alto livello di energia cinetica, questi legami
intermolecolari sono velocemente rotti e riformati.
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Acqua in fase vapore
Nello stato di vapore le molecole d’acqua si allontanano l’una dall’altra
per occupare tutto lo spazio a disposizione
Solido
Liquido
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Vapore
Il congelamento dell’acqua
Quando la temperatura dell’acqua è diminuita attraverso la
sottrazione di calore, le molecole vengono rallentate e avvicinate.
In questo modo la densità dell’acqua aumenta, ad es.
da 0.9982 g cm-3 a 20 °C
a 0.9991 g cm-3 a 15 °C.
Questa tendenza continua fino a 4°C:
Alla temperatura di 4°C l’acqua pura raggiunge la sua
massima densità, esattamente 1 g cm-3.
31
Un ulteriore raffreddamento porta a una diminuzione della
densità.
A queste basse temperature il moto delle molecole è stato così
rallentato, che si formano abbastanza legami idrogeno tra le
molecole, da creare numerosi raggruppamenti a strutture esagonali
sfalsate.
A 0°C le molecole di acqua sono completamente legate con
legami idrogeno, formando la struttura cristallina
esagonale, che è il ghiaccio.
32
Il processo attraverso il quale l’acqua congela è illustrato in Figura.
I riquadri al di sopra del grafico mostrano la disposizione delle
molecole di acqua a differenti livelli di raffreddamento.
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Come mostrato nei riquadri, il ghiaccio ha più spazi vuoti dell’acqua liquida,
così,
quando congela, l’acqua si espande e il ghiaccio galleggia nel suo liquido.
Si può facilmente sperimentare questa espansione: se si pone nel
congelatore una lattina contenente una bevanda, quando l’acqua diventa
ghiaccio, il volume aumenta e la lattina si rigonfia.
Il comportamento dell’acqua pura secondo il quale la temperatura di
massima densità (4° C, d = 1.0000 g cm-1) è superiore a quella di
congelamento (0 °C, d= 0.9170) è anomalo rispetto a quello delle altre
sostanze
34
Acqua di mare
La presenza del sale (a un valore di salinità >
25 ‰; valore medio di salinità del mare: 35
‰) riporta l’acqua a un comportamento
“normale”: la temperatura di congelamento è
maggiore di quella di massima densità.
Il grafico seguente illustra il comportamento
di alcune proprietà fisiche dell’acqua in
funzione della salinità.
35
2.4. LE CARATTERISTICHE DEI CORPI D'ACQUA
La condizione fisica di un corpo d'acqua influenza notevolmente i processi chimici e
biologici che avvengono nel suo interno.
L'acqua di superficie (Oceani, corsi d’acqua, laghi) :
1. oceani:
La chimica e la biologia dei grandi oceani della terra sono peculiari a causa
dell'elevato contenuto salino, delle grandi profondità.
La chimica degli oceani è una disciplina a parte: oceanografia chimica.
I problemi ambientali degli oceani sono aumentati enormemente negli anni
recenti a causa dello scarico di inquinanti, degli sversamenti di petrolio e
dell'aumentato utilizzo di risorse naturali prelevate dagli oceani.
2. corsi d'acqua, fiumi, torrenti, ecc.
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3. laghi:
oligotrofici: profondi, generalmente limpidi, poveri di nutrienti e con poca
attività biologica.
eutrofici: sono più ricchi di nutrienti, ospitano più vita e sono più torbidi.
distrofici: sono poco profondi, pieni di piante
e normalmente contengono acqua colorata con un pH basso.
4. terre umide (wetlands):
sono aree allagate in cui l'acqua è abbastanza bassa da permettere la vita di
piante radicate sul fondo, paludi.
5. Estuari (corpi d’acqua di transizione):
foci di fiumi o bracci di mare entro cui fluiscono dei corsi d'acqua.
La mescolanza di acqua dolce e salata conferisce agli estuari caratteristiche chimiche e
biologiche particolari.
Gli estuari sono zone di riproduzione di gran parte degli esseri viventi marini, la qual
cosa ne rende particolarmente importante la salvaguardia.
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6. bacini artificiali,
riserve d'acqua (storage reservoirs): simili a laghi, hanno un volume molto
grande in relazione al flusso d'acqua in entrata ed uscita. Per caratteristiche
fisiche, chimiche e biologiche l'acqua assomiglia ad acqua di lago.
bacini quasi-fiume, a corso di fiume, (run-of-the-river reservoir): hanno un
grande flusso di transito in relazione al loro volume. L'acqua assomiglia ad
acqua di fiume.
L'invasamento dell'acqua in bacini può avere profondi effetti sulle sue qualità.
I cambiamenti possono derivare da:
differenze nelle velocità di flusso (Vel = volume/tempo, ad una sezione),
differenze nei tempi di residenza (Tres.= Volumetot/Vel) e
alterazione dei rapporti superficie-volume rispetto ai corsi d' acqua, che
sono stati trasformati in bacino.
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Alcuni effetti benefici:
diminuzione della quantità della materia organica, della torbidità e della durezza
dell'acqua (contenuto di calcio e magnesio).
Alcuni cambiamenti in negativo:
minori livelli di ossigeno dovuti alla diminuita aerazione,
minore mescolamento,
l'accumulo di inquinanti,
la mancanza di pulitura del fondo, che in un corso d'acqua è prodotta dalla corrente,
un aumento della crescita di alghe: diminuita la torbidità, le alghe ricevono maggiori
quantità di luce solare.
L' acqua stagnante sul fondo di un bacino può essere di cattiva qualità. Vicino al
fondo i livelli di ossigeno frequentemente scendono a valori prossimi allo zero e si
produce solfuro di idrogeno a causa della riduzione di composti dello zolfo
nell'ambiente povero di ossigeno.
Le specie insolubili di ferro(III) e manganese(IV) sono ridotte alle specie
ioniche solubili di ferro(II) e manganese(II) che devono essere rimosse prima che
l'acqua venga utilizzata.
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RELAZIONE TEMPERATURA-DENSITÀ IN UN CORPO D’ACQUA A FLUSSO
LIMITATO (ad es. UN LAGO, UN BACINO) – STRATIFICAZIONE STAGIONALE
La particolare relazione di proporzionalità inversa tra temperatura e densità dell'acqua nei
corpi di acqua non in movimento causa la formazione di stratificazioni come mostrato in figura:
Figura 2.3: Stratificazione in un lago durante un periodo di intensa insolazione
Epilimnio: strato superficiale
Relativamente alta concentrazione di O2
derivante dallo scambio con l’atmosfera e
prodotto dalla fotosintesi:
CO2 + H2O + h → CH2O+ O2
Elementi chimici in forme ossidate
Termoclino: piano orizzontale o strato
esistente tra l'epilimnio e l'ipolimnio.
Ipolimnio: strato più profondo.
Relativamente bassa concentrazione di O2, Elementi chimici in forme ridotte
40
Estate
Durante l'estate l'epilimnio, riscaldato dalla radiazione solare assume minore densità,
galleggia al di sopra dello strato più profondo instaurando una stratificazione termica.
Quando si instaura una apprezzabile differenza di temperatura tra i due strati, questi non si
mescolano, ma si comportano in maniera indipendente e hanno proprietà chimiche e
biologiche molto differenti.
L'epilimnio che è esposto alla luce può ospitare una forte crescita di alghe.
Come risultato dell'esposizione all'atmosfera e, durante il giorno, a causa dell'attività
fotosintetica delle alghe, l'epilimnio contiene livelli di ossigeno disciolto relativamente
più alti e generalmente si trova in condizione aerobica.
Nell'ipolimnio, l'azione batterica sulla materia organica biodegradabile può rendere
l'acqua anaerobica.
Di conseguenza nell'ipolimnio predominano specie chimiche in forma relativamente
ridotta.
41
Autunno e primavera
In autunno quando l'epilimnio si raffredda si raggiunge un punto in cui le temperature
dell'epilimnio e dell'ipolimnio sono uguali.
La scomparsa della stratificazione termica fa in modo che l'intero corpo d'acqua si comporti
come un’unità idrologica e il risultante mescolamento è conosciuto come inversione
convettiva (overturn).
Quando non c’è stratificazione di densità, infatti, l’attrito del vento e le onde che ne
sono provocate possono rimescolare le acque fino al fondo
Questa inversione in genere avviene anche in primavera.
Durante il mescolamento le caratteristiche chimiche e fisiche del corpo d'acqua
divengono molto più uniformi e si instaurano numerosi cambiamenti di natura chimica,
fisica e biologica.
L'attività biologica può aumentare a seguito dell’apporto di nutrienti, che dal fondo
possono risalire verso la superficie.
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LAGO O BACINO: QUADRO SINOTTICO
In ogni situazione sul fondo del lago si accumula l’acqua più densa con una temperatura di 4°C.
Estate
Una forte stratificazione di densità impedisce il
rimescolamento tra la superficie e il fondo
Autunno-primavera
Quando la temperatura dell’acqua di superficie
raggiunge i 4° sia raffreddandosi (autunno) che
riscaldandosi (primavera),
il corpo d’acqua è rimescolato completamente
dalle onde di vento che non trovano più
opposizione dalla stratificazione di densità
Inverno
In superficie può formarsi del ghiaccio, la
temperatura aumenta con la profondità fino a 4°C
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2.5. VITA ACQUATICA
Biota: organismi viventi
Autotrofi:
utilizzano energia solare o chimica per fissare gli elementi presenti in semplici
materiali inorganici trasformandoli nelle molecole complesse che compongono gli
organismi viventi.
produttori: organismi che utilizzano l'energia solare per sintetizzare materia
organica da materiali inorganici.
Le alghe sono tipici organismi acquatici autotrofi produttori.
2In genere HCO3-, CO2, NO3- , e H2PO4-/HPO4 sono fonti di C, N, P,
rispettivamente, per gli organismi autotrofi.
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Eterotrofi:
utilizzano le sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi come fonti
di energia e come materiale di base per la sintesi della propria biomassa.
Decompositori o riduttori:
sottoclasse degli organismi eterotrofi e
consistono principalmente di batteri e funghi che decompongono materiale
di origine biologica nei semplici composti inorganici originariamente
fissati dagli organismi autotrofi.
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Produttività:
capacità di un corpo d'acqua di produrre materiale vivente.
La produttività deriva dalla combinazione di fattori fisici e chimici.
Acque con bassa produttività sono generalmente migliori per usi civili o
ricreativi.
Produttività relativamente alta è richiesta per l’acquacoltura (ad es.
produzione di pesce).
Eutrofizzazione:
Una eccessiva produttività può degenerare in una produzione abnorme di erbe
acquatiche o alghe, che soffocano il corpo d'acqua emanando cattivi odori:
la crescita di erbe acquatiche o alghe può divenire talmente veloce e
abbondante che non può essere mantenuta a quel livello per lungo tempo e
la conseguente decomposizione delle alghe morte riduce i livelli di
ossigeno nell'acqua a valori molto bassi.
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Relazione organismi/composizione dell’acqua
Le forme di vita a un livello superiore ai batteri e alle alghe (per esempio i
pesci) costituiscono una frazione relativamente piccola della biomassa nella
maggior parte degli ecosistemi acquatici.
L'influenza di queste forme superiori di vita sulla chimica acquatica è
minima.
Al contrario la vita acquatica è fortemente influenzata dalle proprietà chimiche e
fisiche del corpo d'acqua in cui vive.
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Temperatura
Temperature dell'acqua molto basse possono comportare processi biologici molto lenti.
Temperature molto alte possono essere fatali alla maggior parte degli organismi viventi.
Una differenza anche di pochi gradi di temperatura, può comportare grandi
differenze nei tipi di organismi presenti.
Lo scarico di acqua calda dai sistemi di raffreddamento di centrali
termoelettriche frequentemente fa morire i pesci particolarmente sensibili al
calore, mentre favorisce lo sviluppo di pesci ed altre specie che meglio si
adattano alle temperature più alte.
Trasparenza
La trasparenza dell'acqua è particolarmente importante nel determinare la crescita
delle alghe.
Acque torbide possono non essere molto produttive di biomassa, anche se il
contenuto di nutrienti, la temperatura e le altre condizioni sono ottimali.
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Turbolenza
La turbolenza è un fattore importante nei processi di mescolamento e trasporto
nell'acqua.
Alcuni piccoli organismi (plankton) devono la loro mobilità ai movimenti
delle masse d'acqua.
La turbolenza dell'acqua garantisce il trasporto di sostanze nutritive verso gli
organismi viventi e l'allontanamento da questi dei prodotti di rifiuto.
Essa ha un ruolo nel trasporto dell'ossigeno, del CO2 e di altri gas
attraverso il corpo d'acqua e nello scambio all'interfaccia acquaatmosfera.
Una turbolenza moderata è generalmente benefica per la vita acquatica.
49
Ossigeno disciolto (OD)
L' Ossigeno disciolto è frequentemente la sostanza chiave nel determinare la quantità
ed il tipo di vita in un corpo d'acqua.
La mancanza di ossigeno è fatale per gli organismi acquatici aerobi come i pesci.
La presenza di ossigeno può d'altra parte impedire la vita di molti tipi di batteri
anaerobi.
Il fabbisogno biochimico di ossigeno (BOD, biochemical oxygen demand) è un
importante parametro di qualità delle acque.
Si riferisce alla quantità di ossigeno utilizzata quando la materia organica presente
in un determinato volume di acqua è degradata biologicamente.
Un corpo d'acqua con un alto valore di BOD, e senza la capacità di un veloce
ripristino dell'ossigeno, ovviamente non può sostenere la vita di organismi aerobi.
L'importanza del BOD è discussa in dettaglio nel Capitolo 7.
50
Diossido (biossido) di carbonio (CO2)
Il diossido di carbonio è prodotto dai processi respiratori che avvengono nell'acqua
e nei sedimenti e può anche entrare nell'acqua dall'atmosfera.
Il diossido di carbonio è necessario alla produzione fotosintetica di biomassa da
parte delle alghe e in alcuni casi è fattore limitante.
Alti livelli di CO2 prodotto dalla degradazione di materia organica nell'acqua, che
quindi fornisce anche azoto e fosforo, può provocare crescita di alghe e produttività
eccessive.
Concentrazioni di nutrienti
Il livello di nutrienti nelle acque frequentemente ne determina la produttività.
La vita delle piante acquatiche richiede un adeguato apporto di carbonio (CO2, HCO3-),
azoto (nitrato, NO3-), fosforo (ortofosfato, HPO42-, H2PO4-) ed elementi in tracce
(micronutrienti) come il ferro.
In molti casi il fosforo è il nutriente limitante ed è generalmente l'elemento tenuto sotto
controllo nei tentativi di limitare le produttività eccessive.
51
Salinità
Anche la salinità dell'acqua determina i tipi di forme di vita presenti in essa.
Gli organismi marini ovviamente richiedono o tollerano acqua salata, mentre molti
organismi di acqua dolce non tollerano il sale.
Le acque di irrigazione possono arricchirsi di quantità nocive di sali.
52
2.7. GAS DISCIOLTI IN ACQUA
I gas disciolti in acqua sono indispensabili alla salute delle specie in essa viventi:
O2 per i pesci,
O2 e CO2, disciolti in acqua hanno un
comportamento diverso:
il CO2 per le alghe fotosintetiche.
O2, N2, Ar, CH4 non subiscono idrolisi,
CO2, SO2, SO3 si dissociano
La solubilità dei gas in acqua è descritta della Legge di Henry:
la solubilità di un gas in un liquido è proporzionale alla pressione parziale del gas
a contatto con il liquido.
[gas]H2O= KH,T * pgas
53
Questi calcoli sono descritti più in dettaglio nel Cap. 5.
54
Ossigeno disciolto in acqua
Senza un apprezzabile livello di ossigeno disciolto, molti tipi di organismi non
possono vivere in acqua.
La maggior parte dell'ossigeno elementare viene dall'atmosfera, dove costituisce il
20.95% in volume dell'aria.
Pertanto la capacità di un corpo d'acqua di riossigenarsi per contatto con
l'atmosfera è una caratteristica importante.
L'ossigeno è prodotto anche dalla azione fotosintetica delle alghe.
Questo processo non basta a garantire un’efficace, permanente
ossigenazione dell'acqua, perché parte dell'ossigeno prodotto dalla
fotosintesi durante il giorno è perso durante la notte quando le alghe
consumano ossigeno come parte dei loro processi metabolici (respirazione).
Inoltre, quando le alghe muoiono, anche la degradazione della loro
biomassa consuma ossigeno.
55
Solubilità dell’Ossigeno in acqua
La solubilità dell'ossigeno in acqua dipende direttamente dalla pressione
parziale dell'ossigeno nell'atmosfera, inversamente dalla temperatura e
dalla salinità dell'acqua (alla temperatura di 25° C: 8.3 mg L-1 a sal. 0, 6.7
mg L-1 a salinità 36‰).
Il calcolo della solubilità dell'ossigeno in funzione della pressione parziale
è discusso nel paragrafo 5.3.
La concentrazione di ossigeno in acqua a 25 °C in equilibrio con l'aria a
pressione atmosferica è 8.32 mg L-1 (2.6 x 10-4 M)
Pertanto l'acqua in equilibrio con l'aria non può contenere un livello di
ossigeno relativamente alto in confronto ad altre numerose specie
disciolte.
56
Se nell'acqua sono presenti processi che consumano ossigeno, il livello di ossigeno
disciolto può rapidamente avvicinarsi a zero
se non intervengono degli efficaci meccanismi per ripristinare l’ossigeno
disciolto nell’acqua, come
un flusso turbolento in un corso d'acqua poco profondo,
l'immissione di aria nella vasca di aerazione nello stadio secondario in un
impianto di trattamento di liquami, ottenuta ad esempio con una pompa e
un diffusore.
E' importante distinguere tra:
solubilità, che è la massima concentrazione di ossigeno disciolto all'equilibrio; e
concentrazione di ossigeno disciolto, che generalmente non è la concentrazione di
equilibrio ed è limitata dalla velocità con cui l'ossigeno si scioglie.
57
L'ossigeno disciolto in acqua è consumato dalla degradazione della materia
organica.
Molte morie di pesci sono causate non dalla tossicità diretta degli inquinanti, ma
dalla mancanza di ossigeno causata dalla biodegradazione degli inquinanti
stessi.
Il consumo di ossigeno per la degradazione della materia organica in acqua (se
è di origine biologica è rappresentata dalla formula {CH2O}), può essere espresso
dalla seguente reazione:
{CH2O} + O2 CO2 + H2O
(2.7.1)
Si può calcolare che bastano 7.8 mg di materia organica, {CH2O}, per
consumare 8.3 mg di ossigeno presente in un litro di acqua in equilibrio con
l'atmosfera a 25 °C.
Così la degradazione ad opera di microorganismi di pochi milligrammi di
materia organica può consumare completamente l'ossigeno presente in un
litro di acqua inizialmente saturata con aria a 25 °C.
58
A temperature più alte (dove la solubilità dell'ossigeno è minore),
o in acque in cui l'ossigeno non era al livello di saturazione,
può bastare la degradazione anche di minori quantità di materia organica, per
abbassare il livello di ossigeno al di sotto dei valori compatibili con la vita degli
organismi aerobi.
Poiché non esistono comuni reazioni chimiche in acqua che possano ripristinare
l'ossigeno disciolto, ad eccezione di quello derivato dalla fotosintesi,
l'ossigeno in acqua deve venire dall'atmosfera.
59
L'effetto della temperatura sulla solubilità dell'ossigeno in acqua è particolarmente
importante:
solubilità a
0°C
14.7 mg/L
↓~½
35°C
7.063 mg/L.
A temperature più alte la combinazione di
una diminuita solubilità dell'ossigeno con una aumentata velocità di
respirazione degli organismi acquatici,
cioè
di un aumento della domanda di ossigeno accompagnato da una minore
solubilità del gas in acqua,
frequentemente porta a severe condizioni di mancanza di ossigeno.
60
2.8. DIOSSIDO DI CARBONIO E SPECIE CARBONATO
Diversamente dai gas come O2 o N2, a causa del suo carattere acido, il CO2 in acqua subisce
idrolisi, per cui è molto più complicato calcolarne la solubilità.
I calcoli sulla solubilità di CO2 in acqua saranno esposti nei paragrafi 3.2 e 5.3.
Il diossido di carbonio, gli ioni bicarbonato e carbonato hanno un'influenza estremamente
importante sulla chimica dell'acqua:
2-
1. Molti minerali sono depositati come sali dello ione carbonato CO3 : CaCO3, CaMg(CO3)2
-
2. Le alghe in acqua utilizzano CO2, HCO3 per la sintesi della biomassa.
Un forte effetto tampone sul pH dell'acqua è esercitato da:
1. L'equilibrio del CO2 disciolto con l'atmosfera,
CO2 (acqua)
CO2 (atmosfera)
(2.8.1)
2. l'equilibrio dello ione CO32- tra la soluzione acquosa e i minerali carbonatici solidi,
2+
2MCO3 (sale di carbonato poco solubile) ↔ M + CO3
(2.8.2)
61
Il diossido di carbonio è solo circa 0.035% in volume della normale aria secca (350
ppm).
Conseguenza:
dell'acqua totalmente priva di alcalinità (es. acqua distillata) in
equilibrio con l'atmosfera contiene un livello molto basso di CO2.
-
2-
Tuttavia la formazione per idrolisi di HCO3 e CO3 aumenta notevolmente la
solubilità del diossido di carbonio.
Una grande frazione del CO2 che si trova in acqua è un prodotto della scissione
della materia organica da parte dei batteri.
Anche le alghe che utilizzano CO2 per la fotosintesi, ne rilasciano attraverso i loro
processi metabolici in assenza di luce.
Acqua distillata: [CO2], = 0.5 mg L-1; 1.1*10-5 M
Acqua naturale (Lora di Recoaro): [CO2] = 1.7 mg L-1; 3.9*10-5 M,
[HCO3-] = ~ 10-3
62
Processo di formazione delle caverne in zone calcaree
1. L'acqua che, penetrando nel suolo, filtra attraverso strati di materia organica,
può portare in soluzione gran parte del CO2 prodotto dalla respirazione degli
organismi.
2.In seguito quando quest'acqua contenente CO2 disciolto passa attraverso
formazioni calcaree, porta in soluzione del carbonato di calcio attraverso la
reazione:
CaCO3 (s) + CO2 (acq) + H2O ↔ Ca2+ + 2HCO3-
63
(2.8.3)
=
H2CO3 , CO2, HCO3- , CO3
Anche se il CO2 in acqua è spesso rappresentato come H2CO3 la costante di
equilibrio per la reazione:
CO2 (acq) + H2O H2CO3 (acq)
(2.8.4)
è solo K = 2 x 10-3 a 25 °C ,
cioè solo una piccola frazione del CO2 disciolto è in realtà presente come
H2CO3:
K= [H2CO3 (acq)] / [CO2 (acq)] = 2 x 10-3 = 2/103= 2/1000= 1/500
Il CO2 non ionizzato in acqua, cioè la somma di CO2 molecolare disciolto e H2CO3
non dissociato ([H2CO3 (acq)] + [CO2 (acq)]), sarà d'ora in poi indicato semplicemente
con CO2 e [CO2].
64
In funzione del pH, specie differenti predominano nel sistema CO2/HCO3-/CO32- in
acqua:
pH < 6
CO2
specie diossido di carbonio non ionizzato,
6 < pH < 10 HCO3- (ione bicarbonato) nella maggior parte
delle acque naturali,
pH > 10
2-
CO3
(ione carbonato) in acqua fortemente basica.
Questo concetto è discusso in maggior dettaglio nel paragrafo 3.3 ed è illustrato in
Fig. 3.1.
65
2.9. ALCALINITA'
Alcalinità: è la capacità dell'acqua di accettare (neutralizzare) ioni H+ (protoni).
1. L'alcalinità è un importante fattore tecnologico:
nel trattamento delle acque, spesso il valore dell’alcalinità è il riferimento per
calcolare la quantità di reagenti che devono essere aggiunti per trattare un'acqua.
Acque fortemente alcaline spesso hanno anche un alto valore del pH e generalmente
contengono alti livelli di solidi disciolti, caratteristiche negative in acque per
l'alimentazione di caldaie, processi alimentari o igienici.
2. è importante nella chimica e biologia delle acque naturali:
L'alcalinità serve come tampone per il pH,
costituisce una riserva di carbonio inorganico:
contribuisce alla capacità di un'acqua a supportare la crescita algale e altre
forme di vita acquatica.
E' usata dai biologi come un indice della fertilità dell'acqua.
66
Generalmente le principali specie responsabili dell'alcalinità in acqua sono lo ione
bicarbonato, il carbonato e l'ossidrile:
HCO3- :
2-
HCO3- + H+ CO2 + H2O
(2.9.1)
2-
CO3 :
CO3 + H+ HCO3-
OH- :
OH- + H+ H2O
(2.9.2)
(2.9.3)
Altri contributi all'alcalinità, generalmente di minore entità, derivano
dall'ammoniaca,
dalle basi coniugate degli acidi fosforico, silicico, borico e organici.
67
L'alcalinità in genere è determinata con una titolazione ed è espressa come:
alcalinità alla fenolftaleina (misura la quantità di CO32-):
che corrisponde alla titolazione con acido al pH in cui HCO3- è la specie predominante
(pH= 8.3)
(viraggio: rosa a pH>8.3; incolore a pH<8.3)
pH: 8.3 titolazione: CO32- HCO3
-
alcalinità totale (misura la quantità di CO32- (*2) + HCO3 )
-
che corrisponde alla titolazione con acido al punto di fine del metilarancio, in cui sia la
specie bicarbonato, che carbonato sono state convertite a CO2.
(Viraggio: giallo/arancione a pH > 4.3, rosso a pH < 4.3)
pH: 4.3 titolazione CO32- + HCO3 CO2
-
68
E' importante distinguere tra
alta basicità:
un alto valore del pH;.
alta alcalinità:
alta capacità di accettare (neutralizzare) protoni;
Esempio: Si confronti:
Soluzione 1
una soluzione 1.00 x 10-3 M di NaOH
Soluzione 2
una soluzione 0.1 M di HCO3-
molto basica, molti OH- già presenti in soluzione, pH = 8.3, minori quantità di OH- già presenti in
con un pH di 11
soluzione, ma capacità di mettere a disposizione una
grande quantità di OH- per spostamento
dell’equilibrio mano a mano che vengono consumati
per reazione con H+
un litro di essa neutralizza solo 1.00 x10-3 moli di
un litro di questa soluzione è in grado di
acido
neutralizzare 0.1 moli di acido
L'alcalinità della soluzione di bicarbonato è 100 volte maggiore di quella di idrossido di sodio
69
Alcalinità: Importanza in un processo di trattamento dell'acqua:
L'allume (inglese: Filter alum), Al2(SO4)3.18H2O, viene usato come coagulante.
Lo ione alluminio idratato è acido e quando è aggiunto all'acqua reagisce con OH- per
formare idrossido di alluminio gelatinoso:
Al(H2O)63+ + 3OH- Al(OH)3(s) + 6H2O
(2.9.4)
che si deposita trascinando con sé materiale in sospensione o in fase colloidale.
La reazione toglie alcalinità all'acqua. Talvolta è necessario aumentare l'alcalinità di un'acqua
per evitare che diventi troppo acida.
L’alcalinità si esprime in equivalenti (o milliequivalenti) L-1.
L'alcalinità può essere espressa anche come CaCO3 (g o mg L-1) secondo la seguente
reazione di neutralizzazione :
CaCO3 + 2H+ ↔ Ca2+ + CO2 + H2O
(2.9.5)
Il peso equivalente dello ione carbonato è metà del peso formula e questo può causare un po’ di
confusione: 1 equiv. = (100.09 g mole-1/2) = 50 g CaCO3, 1 mequiv = 50 mg
70
2.10. ACIDITA'
Il termine acidità applicato a sistemi acquatici naturali è la capacità dell'acqua di neutralizzare
OH-.
Non è facile trovare dell'acqua acida se non nei casi di grave inquinamento.
L'acidità di solito deriva da:
-
acidi deboli come CO2, H2S, H2PO4 , ,
acidi grassi e
ioni metallici acidi come Fe3+.
L'acidità è più difficile da determinare dell'alcalinità.
Il motivo di questa maggiore difficoltà deriva dal fatto che due dei maggiori composti
responsabili dell'acidità, CO2 e H2S sono composti volatili che vengono facilmente persi
dal campione.
Il campionamento e la conservazione di campioni significativi di acqua che deve
essere analizzata per la presenza di questi acidi sono pertanto problematici.
71
Il termine acidi minerali liberi è usato per acidi come H2SO4 e HCl (forti) e H3PO4 in acqua.
Acqua inquinata derivante da depositi minerari contiene una apprezzabile concentrazione di
acidi minerali liberi (acqua acida di miniera).
Acidità totale:
per titolazione con base al punto di fine rilevato dalla fenolftaleina (pH=8.2),
Acidi minerali liberi: vengono titolati con base al punto di fine del metilarancio (pH=4.3).
72
Ioni metallici idratati
Il carattere acido di alcuni ioni metallici idratati può contribuire all'acidità, per
esempio:
Al(H2O)63+ + H2O = Al(H2O)5OH2+ + H3O+
H3 O
↓
H+
+
(2.10.1)
Per brevità in questo corso lo ione idrossonio H3O+ è semplicemente abbreviato in
H+ e la molecola d'acqua che accetta il protone viene omessa per cui la reazione
soprascritta diventa:
Al(H2O)63+ = Al(H2O)5OH2+ + H+
(2.10.2)
Alcuni rifiuti industriali, come ad esempio il liquido di decappaggio usato per togliere la
ruggine dall'acciaio, contiene ioni metallici acidi e spesso anche acidi forti.
Per questo tipo di rifiuti è importante misurare l'acidità, per calcolare la quantità di
calce o altri reagenti, che devono essere aggiunti per neutralizzare l'acido.
73
Calcio e durezza
Tra i cationi che si trovano nella maggior parte dei sistemi di acqua dolce, il calcio è
quello che ha la concentrazione più alta.
La chimica del calcio, anche se abbastanza complicata, è più semplice di quella degli
ioni dei metalli di transizione, che si trovano in acqua.
Il calcio è un elemento chiave in molti processi geochimici e deriva da minerali che
ne costituiscono la fonte primaria.
Tra questi i più importanti sono:
il gesso, CaSO4.2H2O;
l'anidrite, CaSO4;
la dolomite, CaMg(CO3)2;
e la calcite e l'aragonite, che sono differenti forme minerali del CaCO3.
74
L'acqua che contiene un alto livello di CO2 facilmente porta in soluzione il calcio dai
suoi minerali, attraverso la seguente reazione di equilibrio (cioè reversibile):
CaCO3 (s) + CO2 (acq) + H2O ↔ Ca2+ + 2HCO3-
(2.11.4)
Quando il CO2 è perso dall'acqua, perché questa, ad esempio, forma un film
sottilissimo sulla superficie della roccia, la reazione di equilibrio soprascritta
decorre in senso inverso e si formano ulteriori depositi di calcio carbonato
dando luogo a stalattiti e stalagmiti.
Origine del CO2.
Il diossido di carbonio che l'acqua può ottenere dall'equilibrio con l'atmosfera non è
sufficiente per spiegare i livelli di calcio disciolto in acque naturali specialmente di falda.
I veramente alti livelli di CO2 e HCO3- osservati in acqua derivano piuttosto dalla
respirazione di microorganismi che degradano materia organica nell'acqua, nel sedimento e
nel suolo.
Questo è un fattore estremamente importante nei processi chimici acquatici e nelle
trasformazioni geochimiche.
75
Durezza dell'acqua
Lo ione calcio insieme con lo ione magnesio e talora lo ione ferro(II) costituiscono la durezza
dell'acqua.
L'evidenza più comune della durezza dell'acqua è il precipitato grigiastro che il sapone
forma con l'acqua dura (carbossilati di calcio insolubili).
La durezza temporanea è dovuta alla presenza di calcio e ioni bicarbonato in acqua e può
essere eliminata bollendo l'acqua, causando cioè la reazione inversa di quella scritta con
l'equazione 2.11.4:
Ca2+ + 2HCO3
CaCO3 (s) + CO2 (acq)↑ + H2O
(2.11.5)
Nell'acqua con durezza temporanea portata all'ebollizione, l'aumento di temperatura
può spostare verso destra questa reazione liberando CO2 gassoso e formando un
precipitato bianco di calcio carbonato
La durezza permanente è data da sali con l'anione solfato.
76
La durezza dell’acqua (1 °f = 10 mg/L CaCO3= 10 ppm - parti per milione)
La durezza viene generalmente espressa in gradi francesi (°f),
un grado, 1 °f: 10 mg di carbonato di calcio (CaCO3) per litro di acqua (1 °f =
10 mg/L = 10 ppm - parti per milione).
E’ possibile esprimere direttamente il risultato come milligrammi di carbonato di
calcio per litro di acqua o in mmol/L (massa molecolare CaCO3: 100 g mole-1).
Ad esempio: a 120 mg/L CaCO3 corrispondono 1.2 mmol/L e 12°f.
In genere, le acque vengono classificate in base alla loro durezza:
fino a 7 °f:
molto dolci
da 7 °f a 14 °f: dolci
da 14 °f a 22 °f:
mediamente dure
da 22 °f a 32 °f:
discretamente dure
da 32 °f a 54 °f:
dure
oltre 54 °f:
molto dure
77
Proprietà dello ione calcio, Ca2+
Il raggio ionico del calcio, 0.99 Å2, è relativamente grande se paragonato ad altri ioni metallici
divalenti presenti in acqua.
Per esempio il raggio ionico di Mn2+ è 0.80, quello di Fe2+ è 0.75 Å del Cu2+ è 0.72 Å.
Così la densità di carica dello ione Ca2+ è minore di quella degli altri ioni metallici
divalenti, e di conseguenza:
1. le molecole d'acqua di coordinazione intorno allo ione Ca2+ idratato sono legate meno
fortemente ed hanno minore tendenza a perdere protoni.
2. Inoltre lo ione Ca2+ ha poca tendenza a formare ioni complessi.
Nella maggior parte dei sistemi di acque dolci,
2
lo ione Ca2+ è la specie calcio solubile più importante
A livelli molto alti di HCO3- la coppia ionica Ca2+HCO3- può essere presente in quantità apprezzabili, mentre
in acque con un alto contenuto di solfato, è presente la coppia ionica solubile Ca2+SO42-.
1 Å = 10-10 m, 0.1 nm, 100 pm.
78
2.12. ALTRE SPECIE CHIMICHE IN ACQUA
Gran parte della discussione precedente ha trattato specie disciolte che sono particolarmente abbondanti o
importanti in acqua.
Numerose altre specie chimiche sono naturalmente presenti in acqua e sono significative. Alcune di queste
sono anche degli inquinanti e saranno trattate in seguito.
Queste specie chimiche e le loro fonti e il loro comportamento e importanza nelle acque naturali sono riassunte
nella Tab. 2.2.
Tab. 2.2. Specie chimiche normalmente presenti in acqua.
Sostanza
Provenienza
Comportamento e importanza in acqua
Alluminio
Minerali di Al Si trova come Al(H2O)63+ al di sotto di pH=4. Perde H+ per formare
Al(OH)(H2O)52+ da pH 4.5 a 6.5; forma polimeri con un ossidrile a ponte;
precipita come gibbsite Al2O3.3H2O; anfotero, forma Al(OH)4- al di sopra
di pH=10. Forma forti complessi con F-; precipita in presenza di silice e ioni
ortofosfato.
Cloruro,
Cl-
Minerali,
inquinamento
Non reagisce chimicamente con molte specie in acqua; innocuo a
concentrazioni relativamente basse; principale anione presente in acque con
alti valori di salinità.
79
Fluoruro, F- Minerali,
additivo
dell'acqua
Forma HF, pKa= 3.13 a basso pH; forma sali insolubili con Ca(II), Ba(II),
Sr(II), Pb(II); può facilmente sostituire OH-; nocivo per le ossa e i denti a
concentrazioni superiori a ca. 10 mg/L; previene la carie a livelli intorno a 1
mg/L, ed è comunemente aggiunto all'acqua potabile a questo scopo.
Ferro
Minerali,
Si trova come Fe2+ solubile in condizioni riducenti, come quelle delle acque
acqua acida di sotterranee o del fondo dei laghi; il ferro(III) può solo essere presente come
miniera
particellato o legato a composti organici a valori normali di pH, a causa
della molto bassa solubilità di Fe(OH)3 (Par. 2.8); il ferro è un soluto
assolutamente indesiderabile nelle acque a causa della formazione di
depositi di Fe(OH)3; in acque di falda è di solito presente a livelli di 1-10
mg/L.
Magnesio
Minerali come Si trova come ione Mg2+ ; proprietà simili al Ca2+, ad eccezione del fatto che
la dolomite:
Mg2+ ha un raggio ionico molto più piccolo di 0.65 Å, che permette di
CaMg(CO3)
trattenere le molecole di idratazione più fortemente; le concentrazioni sono
in genere minori di quelle del Ca2+, in genere 10 mg/L.
Manganese
Minerali
In presenza di ossigeno si trova come MnO2; si trova ridotto a Mn2+ in acque
sotterranee o comunque povere di ossigeno. MnO2, formato dalla
ossidazione di Mn2+, è poco tossico, ma ha la tendenza a dare macchie, per
cui deve essere ridotto a livelli molto bassi nelle acque potabili e igieniche;
spesso precipita come MnCO3.
80
Azoto
Minerali,
degradazione
di materia organica azotata,
inquinamento
Le specie dell'azoto sono tra quelle più importanti in acqua. L'azoto
inorganico è presente come NO3- in presenza di ossigeno e come NH4+ in
assenza di esso, mentre la specie tossica NO2- può essere presente come
forma intermedia. Il nitrato è un nutriente per le alghe e può contribuire ad
una eccessiva crescita di queste. Lo ione ammonio è un acido debole con un
pKa=9.26; diversamente dal nitrato, è legato fortemente al suolo.
Microorganismi catalizzano interconversioni tra i vari stati di ossidazione
dell'azoto in acqua. L'azoto organico in acqua è legato a vari composti
organici inquinanti e a composti biologici. La chimica dell'azoto in acqua è
discussa in vari paragrafi delle dispense: 3.12, 4.20, 5.14-5.18, 6.12, 7.11,
7.15, 8.10, 8.19, 10.8, 10.12.
Può essere lisciviato da minerali come feldspato, KAlSi3O8; nutriente
Potassio, K+ Minerali,
acque di diessenziale delle piante; di solito si trova a livelli di alcuni mg/L,
lavamento da concentrazione alla quale non è un inquinante.
terreni concimati o da
boschi bruciati
81
Fosforo
minerali,
acque di
dilavamento
da terreni
concimati, o di
rifiuto
domestiche
(dai detersivi)
Si trova in acque naturali sotto forma di anioni dell'acido ortofosforico,
H3PO4, pKa1=2.17; pKa2=7.31; pKa3=13.36; gli anioni H2PO4- e HPO42- sono
predominanti nei normali intervalli di pH delle acque naturali; può essere
presente come fosforo organico; è nutriente per le alghe e contribuisce a
favorirne una eccessiva crescita. In acque naturali si trova a concentrazioni
di pochi centesimi o decimi di mg/L.
Silicio
minerali,
come il
feldspato di
sodio, albite
NaAlSi3O8,
inquinamento
Presente in acqua a livelli normali di 1-30 mg/L; si trova come SiO2
colloidale, specie silicato polinucleari, come Si4O6(OH)62-, o acido silicico,
H4SiO4, pKa=9.46
Zolfo
Minerali,
Lo ione solfato, SO42-, predomina in condizioni aerobiche; solfuro di
inquinamento, idrogeno, H2S, è prodotto in acque anaerobiche; H2S è tossico, mentre
acqua acida di SO 2- è innocuo a livelli moderati.
4
miniera,
pioggia acida
Sodio, Na+
Minerali,
inquinamento
Sono molto poche le reazioni di precipitazione e assorbimento di Na+; a
bassi livelli è innocuo, a livelli più alti deriva da infiltrazioni inquinanti di
acqua salata, che uccide le piante; valori normali sono alcuni mg/L.
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