L’ACQUA

ACQUA, FONTE DI VITA!

L’acqua è coinvolta in tutti i processi degli esseri viventi. E’ così comune che spesso è stata trattata con indifferenza, come se fosse solo un riempitivo. Invece si è visto che è molto reattiva con proprietà chimiche e fisiche diverse dalla maggior parte degli altri liquidi

La vita come noi la conosciamo sarebbe impossibile senza queste proprietà. Tutti gli esseri viventi sono costituiti, infatti, almeno per il 75% di acqua. La proprietà dell’acqua così importanti per la vita dipendono direttamente dalla sua struttura.

L’acqua ha sempre affascinato gli scienziati di ogni epoca Per questo TALETE (624-545 a.c. circa) affermava che tutta la materia fosse ACQUA e che fosse un ELEMENTO.

Solo nel 1774 lo scienziato Henry Cavendish dimostrò che l’ACQUA era un COMPOSTO formato da idrogeno e ossigeno.

STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI DI IDROGENO E OSSIGENO

IDROGENO 1 H IDROGENO 1,0079 N° protoni / elettroni + - 1 H IDROGENO 1,0079 + All’ idrogeno manca un elettrone per completare il livello N° protoni + neutroni

OSSIGENO O 8 OSSIGENO 16 N° protoni / elettroni + - N° protoni / elettroni 8 O OSSIGENO 16 N° protoni + neutroni All’ ossigeno mancano due elettroni per completare il livello

FORMAZIONE DI UNA MOLECOLA DELL’ACQUA ELETTRONE OSSIGENO Mettendo in compartecipazione gli elettroni ognuno dei tre atomi completa il proprio livello elettronico Si forma un LEGAME COVALENTE IDROGENO Formula di struttura O H O H 105 ° Sperimentalmente si osserva che gli angoli di legame H – O – H sono a 105° tra loro.

POLARITÀ DELL’ACQUA + - δ L’ossigeno, come tutti gli elementi della tavola periodica che si trovano a destra e in alto della tavola periodica tende ad attrarre su di sé gli elettroni del legame. Viceversa l’idrogeno ha tendenza a “cedere” gli elettroni del legame. Si dice che l’ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno. Quindi gli elettroni del legame tendono a trovarsi mediamente più vicini all’atomo di ossigeno che a quello di idrogeno. Ne risulta un’ineguale distribuzione di cariche Il legame viene detto COVALENTE POLARE

δ+ δ- La molecola dell’ acqua si può considerare un “dipolo” con una parte parzialmente negativa (corrispondente alla zona dell’ossigeno) e una parzialmente positiva (corrispondente alla zona degli idrogeni). Nella scala di Pauling la differenza di elettronegatività fra H e O è 1,4 che corrisponde a un legame avente circa il 40% di carattere ionico -

IL LEGAME A IDROGENO Per questo motivo l’atomo di idrogeno di una molecola di acqua è attratto mediante forze elettrostatiche dall’atomo di ossigeno di un’altra molecola di acqua. Questo legame debole è detto LEGAME A IDROGENO

Dimostriamo che l’acqua è una molecola polare

Il filo d’acqua è verticale Facciamo scorrere dell’acqua da una buretta Il filo d’acqua è verticale + -

La carica della bacchetta “induce” le molecole d’acqua a disporsi con la parte che ha carica di segno contrario. Si ha attrazione elettrostatica Strofinando una bacchetta con un panno, questa si carica elettrostaticamente Avvicinandola alla buretta, si nota una deviazione del filo d’acqua verso la bacchetta + - + + + + + + + + + + - - - - -

CONFRONTO CON L’H2S Anche se è un legame molto debole è sufficiente a far sì che le molecole d’acqua siano più strettamente legate fra loro rispetto ad altre molecole simili. Altre molecole, anche a peso molecolare maggiore come l’acido solfidrico, hanno una differenza molto piccola di elettronegatività fra gli atomi coinvolti nel legame, quindi non formano legami covalenti polari e di conseguenza non formano legami a idrogeno. (per rompere un legame a idrogeno bastano circa 4 Kcal/mol contro le 110 che ci vogliono per rompere un legame covalente O-H)

Caratteristica Acqua (H2O) Acido solfidrico (H2S) Peso molecolare 18 34 Temperatura di fusione 0 ° -86°C Temperatura di ebollizione 100 °C -60°C Differenza di elettronegatività 1,4 0,38 Polarità del legame si no Forma legami a idrogeno La maggior parte delle sostanze a basso peso molecolare sono gassose a temperatura ambiente. L’acqua invece bolle ad una temperatura molto più alta di quelle che si misurano sulla superficie terrestre, anche se è una molecola relativamente piccola. Ci vuole infatti più energia ad allontanare molecole più strettamente legate fra loro.

CARATTERISTICHE DELL’ACQUA Acqua allo stato gassoso Le caratteristiche principali derivanti dalla polarità dell’acqua sono: Alto potere solvente per i sali Non scioglie i composti apolari Presenta il fenomeno della tensione superficiale Alto punto di fusione Alto punto di ebollizione Alto calore di vaporizzazione Acqua allo stato solido Acqua allo stato liquido L’acqua è uno dei pochi composti che alle temperature ordinarie presenti sulla Terra presenta contemporaneamente tutti e tre gli stati di aggregazione

Milioni di atomi in fila sono visibili ad occhio nudo Il cloruro di sodio è un cristallo ionico, formato da ioni Na+ e Cl- posti ai vertici di infiniti cubi. Milioni di atomi in fila sono visibili ad occhio nudo - - + - + + + - - + - + + + - - - + - + + - - - + + - + + - - +

Vediamo perché l’acqua scioglie i sali ionici o parzialmente ionici - + - + - + - +

Gli ioni Cl- attraggono invece la parte positiva dell’acqua + Le molecole di acqua si dispongono attorno allo ione Na+ con la parte negativa Gli ioni Cl- attraggono invece la parte positiva dell’acqua - + + - - + - + - + + - + - - + + - + - - + + - - + - + + - + - + -+ + - + -

Le molecole di acqua staccano gli ioni dal reticolo cristallino. Si ha la disgregazione del cristallo. - + - + - + - + - + + + - + - + - - + + - - + - + - + - + - + + + - - + - - - + - + + - Gli ioni singoli non sono visibili ad occhio nudo. Il sale si è SCIOLTO

- + Viceversa l’acqua non scioglie i composti non polari (come l’olio) perché non si stabiliscono queste forze attrattive - +

Vi sono alcuni composti, come i saponi e alcuni grassi polari che hanno nella loro molecola zone idrofile (polari) e zone idrofobe (non polari). - - -

Questi aggregati si chiamano MICELLE - + In acqua si dispongono in modo da esporre la parte idrofila, mentre le estremità idrofobiche tendono ad evitare il contatto con l’acqua. - + - - Questi aggregati si chiamano MICELLE

La tendenza dell’acqua a formare micelle con i lipidi polari è importante nella formazione delle membrane biologiche. Le micelle sono state probabilmente il primo tentativo di organizzazione cellulare nei mari poco profondi, (ricchi di materiale organico), nei quali si pensa si sia originata la vita. - + - +

IL CALORE SPECIFICO DELL’ACQUA A causa dei legami a idrogeno le molecole d’acqua sono più strettamente legate fra loro rispetto ad altri liquidi Quindi serve molta energia per far innalzare la temperatura dell’acqua e per farla evaporare

Si dice, allora che l’acqua ha un alto CALORE SPECIFICO (540 Kcal/Kg) Quando si suda l’acqua presente nei tessuti umani evapora facendo abbassare la temperatura corporea. Questo meccanismo si chiama TERMOREGOLAZIONE.

LA PROPRIETÀ DEL GHIACCIO Il ghiaccio ha un importante proprietà fisica: allo stato solido è meno denso dell’acqua. Infatti, alla temperatura di 0 °C si ha: densità ghiaccio = 0,9168 g/cm3 densità acqua liquida =0,9998 g/cm3 In ciò il ghiaccio si differenzia dalla maggior parte delle altre sostanze.

LA STRUTTURA CRISTALLINA DEL GHIACCIO La minore densità del ghiaccio si spiega considerando il modo con cui l’acqua solidifica Infatti, nel ghiaccio, le molecole di acqua, si dispongono ai vertici di esagoni regolari, rispettando la formazione dei legami a idrogeno Questa conformazione è tale che vi siano delle regioni vuote che diminuiscono l’impaccamento delle molecole rispetto all’acqua liquida

Questo spiega il motivo per cui il ghiaccio galleggia sull'acqua. Ciò è molto importante Il ghiaccio, rimanendo in superficie, protegge da un ulteriore abbassamento della temperatura gli strati d’acqua sottostanti. Al di sotto dello strato ghiacciato, infatti, la temperatura rimane superiore allo zero, consentendo la vita dei pesci e di tutti gli altri organismi della comunità acquatica. Se il ghiaccio fosse stato più pesante dell’acqua, si ghiaccerebbe tutta l’acqua del mare, ad eccezione di un piccolo strato superficiale.

EROSIONE La proprietà dell'acqua di espandersi quando congela ha ripercussioni geologiche ed ecologiche notevoli. Quando penetra nelle fessure delle rocce e solidifica, aumenta di volume ed esercita una pressione in grado di frantumarle: questo processo contribuisce quindi al fenomeno dell‘EROSIONE

Si bagnano i bordi del foglio per appesantirlo. Si poggia un ago su un foglio di carta assorbente posto delicatamente sull’acqua Si bagnano i bordi del foglio per appesantirlo. Quando il foglio di carta va a fondo l’ago rimane a galla Agitando la superficie dell’acqua l’ago va a fondo + - - + - + - + - - + - + - + - + + - + - + - + - -

Lo stesso fenomeno avviene versando del detersivo A causa del legame a “idrogeno” le molecole di acqua formano sono più strettamente legate e formano una specie di pellicola impermeabile. Questo fenomeno è detto TENSIONE SUPERFICIALE Tutto ciò che altera questo equilibrio “rompe” la pellicola impermeabile di acqua. + - - + - + - + - - + - + - + - + + - + - + - + - -

La tensione superficiale spiega anche perché gli insetti, vincendo la forza di gravità riescono a “pattinare” sull’acqua.

Il fenomeno della tensione superficiale spiega anche perché una goccia d’acqua è sferica! Le molecole in superficie subiscono un’attrazione diversa da quelle nel centro. Quindi la superficie dell’acqua subisce un’attrazione verso il centro cercando di ottenere la minor area possibile; ecco il motivo della forma sferoidale della goccia d'acqua!

Ed inoltre… Tutte le reazioni chimiche del nostro metabolismo avvengono in acqua Il mezzo liquido favorisce l’interazione delle molecole perché facilita gli urti “efficaci”… SENZA L’ACQUA NON CI SAREBBE VITA

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFIA B.H.Mahan Chimica, Casa Editrice Ambrosiana, Milano Morrison Boyd – Chimica Organica, CEA Ternay – Chimica Organica Contemporanea, CEA I. Polati - G. Sacco, Chimica, Juvenilia Le immagini sono tratte da internet

Hanno partecipato Gli alunni della 2A della Scuola Secondaria di primo grado di Palmariggi a.s. 2008-2009 (Istituto Comprensivo Muro Leccese) Consuelo Alfieri, Marika Bagnolo, Matteo, Castelluzzo, Alessia Cazzetta, Marco Cazzetta, M. Chiara Cazzetta, Serena De Blasi, Desiree De Pasca, Sara Colizzi, Cristina Montagna, Ylenia Saracino, Gloria Toma, Marina Villani Docente: Michelina Occhioni