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: [email protected]
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.
Heydweiller
Palazzo
Rasch
Kohlrausch
Arrhenius Nernst
Sheldon
I pionieri della chimica (Würzburg - circa 1887)
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’equilibrio è data da:
K
a H   aOH 
a H 2O
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)
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.
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