LO STATO DELL’ARTE NELLA CHIMICO-FISICA DELL’ACQUA Coherence2006 Roma, 21 aprile 2006 LO STATO DELL’ARTE NELLA CHIMICO-FISICA DELL’ACQUA M.V. Russo e P. Avino Facoltà di Agraria (DISTAAM), Università degli Studi del Molise via De Sanctis – 86100 Campobasso E-mail: mvrusso@unimol.it

L’Acqua e gli Esseri Viventi Nella concezione biochimico-fisica degli essere viventi uno degli aspetti principali è la dipendenza di tutti i processi biologici dall’acqua. Una biochimica del vivente basata su solventi non acquosi appare anche possibile ma alquanto improbabile (solo l’ammoniaca liquida potrebbe essere un potenziale candidato ma con tante altre caratteristiche negative, come ad es. l’instabilità ed il ristretto campo di temperatura della forma liquida, da -78°C a -33°C).

Odore e Sapore dell’Acqua La relazione tra queste due proprietà e i nostri recettori (per l’olfatto e per il gusto) è più complessa e al momento meno quantificabile. In questo caso, i recettori devono essere sensibili non più a una grandezza fisica (la radiazione elettromagnetica) ma alla struttura stessa della molecola in questione. La sensazione olfattiva e gustativa è il risultato di molte interazioni tra una particolare molecola e i nostri sensori. Lo stimolo dovuto alle interazioni molecola-sensori viene trasmessa al cervello e tradotta in sensazione di odore o di sapore.

Caratteristiche Generali Elevato potere: dielettrico idrolitico elevato calore specifico di evaporazione ottimo solvente per numerose sostanze chimiche regola il volume cellulare e la temperatura corporea rende possibile il trasporto di nutrienti e la rimozione di scorie metaboliche

Struttura dell’Acqua L’acqua ha una struttura molecolare semplice. Non assorbe radiazione di lunghezza d’onda dal vicino UV fino all’estremo Vis (da 200 a 700 nm). Assorbe radiazione di lunghezza d’onda inferiore a 200 nm (lontano UV) e superiore a 2000 nm (vicino IR). Dal momento che il nostro occhio è in grado di percepire solo le radiazioni visibili (380 -700 nm), ecco che le molecole d'acqua sono trasparenti al nostro occhio.

Raggi X: ogni atomo di O è circondato da 4 altri atomi di O disposti a tetraedro (distanza tra centri di due atomi adiacenti 2,76 Å). Coppie di atomi collegati da legami idrogeno. Nel ghiaccio: atomo di H a circa 1,00 Å da uno degli atomi di O ed a 1,76 Å dall’altro. Frequenza di oscillazione del legame O-H: differenza minima nel ghiaccio e nel vapore d’acqua.

Diagramma di Stato dell’Acqua Punto triplo

Le Particolari Proprietà Fisiche La più strana e importante anomalia è certamente la dipendenza della sua densità in funzione della temperatura. La densità diminuisce all’aumentare della temperatura; per l’acqua invece si ha un massimo a 4°C. Questo valore di massimo, che peraltro scompare se la variazione di volume in funzione della temperatura viene studiata a pressione elevata, è assolutamente anomalo.

Teoria di Morgan e Warren (1938) La maggiore densità dell’acqua è dovuta al fatto che il ghiaccio ha una struttura insolitamente aperta e che la demolizione della rigida disposizione tetraedrica delle molecole nel solido permette il riempimento degli spazi vuoti. Questo effetto è contrastato dall’andamento delle distanze intermolecolari, come è dimostrato dal maggior intervallo fra gli atomi di O, e così si può spiegare la temperatura di densità massima.

Il fatto che l’acqua congelandosi (cioè passando in fase solido di ghiaccio I, cioè il ghiaccio a struttura esagonale con densità 0,92 g/cc che comunemente otteniamo raffreddando l’acqua) a 0°C abbia un aumento di volume (cioè una diminuzione di densità) è un altro fenomeno abbastanza raro, benché non unico (anche il germanio presenta la stessa fenomenologia). Il coefficiente di compressibilità (cioè la variazione di volume che si osserva con l’aumento di pressione, ad una temperatura fissata) decresce con la temperatura fino a circa 46°C, per poi aumentare.

Il valore del calore specifico dell’acqua è molto più elevato (circa il doppio) di quello che si osserva per altri liquidi “normali” o che si potrebbe calcolare utilizzando i contributi dei vari gradi di libertà molecolare. Infine, nel caso dell’acqua, il valore del calore specifico della fase liquida è quasi tre volte di quello del vapore e poco più del doppio di quello del ghiaccio.

L’acqua liquida è anomala rispetto al comportamento degli altri liquidi e anche rispetto al suo stesso comportamento in fase vapore. Struttura pseudo-cristallina a coordinazione 4 dell’acqua liquida: differisce da un vero cristallo poiché i legami H vengono continuamente spezzati e ristabiliti e le molecole si scambiano di conseguenza i moti termici. A questa struttura tendenza di coordinazione tetraedrica in fase liquida vanno attribuite le peculiari proprietà dell’acqua liquida.

Anche se ogni molecola ha una tendenza ad essere circondata da quattro altre a forma di tetraedro, è però probabile che in qualsiasi istante ogni atomo di ossigeno sia legato da legami H soltanto a due o tre altri a temperature ordinarie; a temperature più alte è probabile che il numero medio sia ridotto in una certa misura. Queste considerazioni ci permettono di affermare che è impossibile attribuire un definitivo grado di associazione all’acqua, poiché l’intero liquido, come il cristallo di ghiaccio, può essere considerato come una sola macromolecola.

Le Proprietà Chimiche Misure di Kohlrausch e Heydweiller (1894): dimostrarono che l’acqua, dopo la più rigorosa purificazione, mostra una conducibilità di circa 0,043×10-6 Ω-1 cm-1 a 18°C. Inoltre, se l’acqua pura raggiunge l’equilibrio con la CO2 dell’aria, la sua conducibilità aumenta tra circa 0,8 a 1 ×10-6. Tale conducibilità fu spiegata ammettendo una leggera dissociazione elettrolitica dell’acqua.

I pionieri della chimica (Würzburg - circa 1887) Heydweiller Rasch Arrhenius Nernst Palazzo Sheldon Kohlrausch I pionieri della chimica (Würzburg - circa 1887)

[H+]=[OH-]=0,8×10-7 eq/L a 18°C [H+]=[OH-]=1,0×10-7 eq/L a 25°C In acqua ed in tutte le soluzioni: equilibrio tra le molecole indissociate e ioni H+ ed OH- idratati. [H+]=[OH-]=0,8×10-7 eq/L a 18°C [H+]=[OH-]=1,0×10-7 eq/L a 25°C La costante di dissociazione relativa all’equi-librio è data da:

La costante vale per l’acqua pura e per tutte le soluzioni acquose. In acqua pura e, con sufficiente approssimazione, nelle soluzioni diluite, l’attività dell’acqua, aH2O, può considerarsi unitaria. Ciò equivale ad assumere lo stato standard l’acqua pura liquida. Kw = aH+ × aH2O Prodotto dell’attività ionica dell’acqua (o anche prodotto ionico dell’acqua)

a 25°C → [H+]=[OH-]=1×10-7 eq/L Come tutte le costanti di equilibrio, il prodotto ionico dell’acqua varia sensibilmente con la temperatura -log Kw = 14,943 a 0°C -log Kw = 14,000 a -25°C -log Kw = 13,017 a 60°C L’acqua pura e le soluzioni in cui viene mantenuta la seguente eguaglianza a 25°C → [H+]=[OH-]=1×10-7 eq/L si definiscono neutre.

Proprietà Chimiche-Fisiche nelle Soluzioni L’aggiunta di un soluto (o più soluti) in acqua modificano profondamente le proprietà chimiche fisiche dell’acqua. Proprietà fisiche: incremento della temperatura di ebollizione, decremento del punto di solidificazione, decremento della tensione di vapore e variazione della pressione osmotica (proprietà colligative). In presenza di un soluto si modifica la pressione interna, la tensione superficiale e la fugacità.

Proprietà chimiche: il soluto può modificare la concentrazione idrogenionica e quindi classificare l’acqua come acida o basica. Inoltre la relativa presenza modifica anche le caratteristiche organolettiche.

Ed infine … l’Acqua da bere Acqua potabile: dovrebbe essere un’acqua naturale con residuo fisso a 180°C di circa 500 mg/L, limpida, incolore e di sapore gradevole. Acqua da bere: acque purificate e raffinate. Acqua di sorgente: sono state introdotte nel comparto delle acque in boccioni approfittando del fatto che alle acque minerali sono precluse le confezioni superiori a due litri. Acqua minerale: acque che hanno origine da una falda sotterranea con caratteristiche igieniche particolari e proprietà favorevoli alla salute.

Grazie per l’attenzione Access to safe water is a fundamental human need and, therefore, a basic human right. Contaminated water jeopardizes both the physical and social health of all people. It is an affront to human dignity. Kofi Annan United Nations Secretary General in “Right to water”, 2003) Grazie per l’attenzione