L’ACQUA



Composto chimico di formula H2O



PROPRIETA’ CHIMICO - FISICHE


L’Acqua pura è un liquido inodore e insapore, che presenta una debole colorazione blu osservabile solo nelle acque profonde.

A pressione atmosferica, ha punto di fusione 0° C e punto di ebollizione 100 ° C; raggiunge la massima densità alla temperatura di 4° C e solidifica aumentando di volume.



STATI DI AGGREGAZIONE


L’acqua è l’unica sostanza che si trova in natura nei tre stati di aggregazione: Solido, Liquido e Gassoso.

Allo stato solido è presente sotto forma di ghiaccio, nella neve, nella grandine, nella brina e nelle nubi; allo stato liquido si trova sotto forma di pioggia e rugiada, ma soprattutto ricopre i tre quarti della superficie terrestre costituendo oceani, mari, laghi e fiumi; allo stato gassoso, infine, è presente come nebbia e vapore ed è il principale costituente delle nuvole.

Per effetto della gravità, l’acqua filtra attraverso il terreno e le rocce nel sottosuolo, dove va a costituire la falda che alimenta i pozzi e le sorgenti dei corsi d’acqua.


L’ACQUA E LA VITA

L’acqua costituisce una frazione compresa tra il 50 e il 90 % del peso corporeo degli organismi viventi, potendo raggiungere in alcuni invertebrati marini addirittura il 95% del peso totale.

Il sangue degli organismi animali e la linfa delle piante sono costituiti prevalentemente da acqua, che ha la funzione di trasformare le sostanze nutritive e di rimuovere i prodotti di rifiuto. L’acqua svolge inoltre un ruolo fondamentale nel metabolismo delle cellule, prendendo parte a diverse reazioni di idrolisi.


IL CICLO NATURALE DELL’ACQUA


L’acqua ha sul nostro pianeta un ciclo costante, che ha inizio con l’evaporazione dai suoli, dalle vegetazioni e dalla superficie degli oceani, dei laghi e in generale dai tutti i corpi idrici presenti sulla terraferma.

L’umidità atmosferica prodotta dall’evaporazione condensa in nubi, che successivamente restituiscono l’acqua alla superficie terrestre sotto forma di precipitazioni: pioggia, neve e grandine. Le precipitazioni ripristinano continuamente l’umidità del suolo e rialimentano le falde acquifere sotterranee, ma soprattutto, attraverso il deflusso superficiale di ruscelli, torrenti e fiumi, restituiscono l’acqua al mare, chiudendo così ciclo.

La disciplina che studia la distribuzione dell’acqua sulla superficie terrestre in tutte le fasi del ciclo è l’idrologia.


disegno del ciclo dell'acqua


PRINCIPALI SOLUTI

Poiché l’acqua ha un elevato potere solvente, raramente può essere trovata in natura allo stato puro.

La pioggia e la neve, ad esempio, assorbono dall’atmosfera anidride carbonica ed altri gas, nonché tracce di sostanze organiche e inorganiche.

L’acqua discioglie le sostanze minerali presenti nelle rocce e nel suolo,

arricchendosi di composti chimici quali solfati, cloruri e carbonati di sodio, potassio, calcio e magnesio.

L’ acqua di superficie spesso contiene sostanze inquinanti di origine industriale, agricola e domestica.

Nei pozzi poco profondi sono presenti quantità variabili di composti azotati e clorurati di derivazione umana e animale; mentre i pozzi più profondi sono ricchi principalmente di sali minerali.

Nell’acqua potabile sono normalmente presenti quantità rilevanti di fluoruri.

Nell’acqua marina, oltre al cloruro di sodio, sono contenuti numerosi altri sali, che derivano dalla continua azione di dilavamento che le acque dei fiumi operano sugli strati superficiali del terreno.

L’apporto d’acqua dolce, nei mari e negli oceani, viene equilibrato dal processo di evaporazione che mantiene pressoché costante la concentrazione dei sali.



GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA E I PASSAGGI DI STATO

I TRE STATI DI AGGREGAZIONE


Per stati di aggregazione si intendono gli aspetti sotto cui può presentarsi la materia.

Gli stati di aggregazione fondamentali sono tre: stato solido, stato liquido e stato gassoso.

I tre stati di aggregazione dell’acqua sono:

Stato solido (GHIACCIO) se la temperatura è al di sotto di 0° C.

Stato liquido se la temperatura è compresa fra 0° C e 100° C.

Stato gassoso se la temperatura è superiore a 100° C (cioè dopo che è avvenuta l’ebollizione) .

Esaminiamo ora le caratteristiche dei tre stati.


LO STATO SOLIDO


I solidi hanno forma e volume propri.

Da un punto di vista scientifico, un vero solido è caratterizzato dal fatto che la sua struttura microscopica è ordinata: le particelle che costituiscono il solido ( ATOMI, MOLECOLE O IONI ) sono cioè disposte secondo uno schema geometrico caratteristico.

Questo schema viene chiamato reticolo cristallino.

Le posizioni occupate dalle particelle vengono chiamate nodi del reticolo.

Esistono vari tipi di reticolo.

In un reticolo cristallino c’è un’unità fondamentale che si ripete sempre uguale a se stessa nelle tre direzioni dello spazio.

Questa unità viene chiamata cella elementare, o semplicemente cella.




LO STATO LIQUIDO


I liquidi non hanno forma propria, ma assumono quella del recipiente che li contiene.

Lo stato liquido è uno stato condensato, perché anche in esso, come nel solido, le particelle sono legate l’una all’altra.

Però all’interno del liquido non esiste la struttura ordinata che è invece tipica dei solidi, anzi, le molecole del liquido possono scorrere l’una sull’altra; questo fa sì che i liquidi non abbiano una forma propria, ma assumono sempre quella del recipiente che li contiene.

I liquidi hanno invece volume proprio.

A seconda del tipo di liquido, le molecole possono incontrare maggiore o minore resistenza a muoversi all’interno del liquido stesso; maggiore è la resistenza che incontrano, maggiore è la viscosità del liquido.

La viscosità di un liquido in genere diminuisce, se la temperatura aumenta e viceversa.



LO STATO GASSOSO



Lo stato gassoso non è uno stato condensato: le particelle (atomi o molecole) sono svincolate l’una dall’altra, perfettamente indipendenti, libere di muoversi per tutto il recipiente e continuamente in moto.

Il moto avviene per segmenti di retta: ogni volta che una particella di gas urta un’altra particella di gas, oppure le pareti del recipiente, cambia direzione.

Un gas non ha né forma né volume propri, ma assume quelli del recipiente.

Di conseguenza, per caratterizzare un gas, non è sufficiente indicarne la massa, come si fa di solito, oppure la massa o il volume come si fa per i liquidi.

Il volume di un gas è il volume del recipiente che lo contiene, ed è generalmente misurato in decimetri cubi.

Inoltre i liquidi e i gas hanno alcune caratteristiche comuni: il fatto di poter essere attraversati da un oggetto solido e il fatto di poter “scorrere”.

Per questo motivo, liquidi e gas vengono indicati con il termine comune di fluidi.




I PASSAGGI DI STATO



Ogni sostanza può esistere in ognuno di questi stati e quindi può passare da uno stato ad un altro; questi passaggi si chiamano appunto passaggi di stato.

I passaggi di stato hanno i seguenti nomi:

Fusione: passaggio da solido a liquido

Vaporizzazione: passaggio da liquido ad aeriforme

Liquefazione: passaggio da aeriforme a liquido

Solidificazione: passaggio da liquido a solido

Sublimazione: passaggio diretto da solido ad aeriforme e viceversa (il passaggio inverso viene anche chiamato brinamento).

I passaggi di stato sono fenomeni fisici, perché non danno luogo a cambiamenti nella composizione delle sostanze interessate.

Ad esempio, il ghiaccio, l’acqua allo stato liquido e il vapore acqueo sono tutti costituiti da molecole di acqua, H2O; è diverso solo i modo con cui queste molecole sono unite fra di loro, o nel caso del vapore non sono unite affatto.

I passaggi di stato avvengono a temperature caratteristiche per ogni sostanza pura.

Per ogni sostanza avremo quindi una temperatura di fusione e una temperatura di ebollizione.

La temperatura a cui avviene un passaggio di stato dipende anche dalla pressione.

L’acqua pura bolle a 100 °C se la pressione è di una atmosfera.

Se la pressione è minore, come succede in alta montagna, l’acqua bolle a una temperatura inferiore.

Se invece la pressione è maggiore di una atmosfera, l’acqua bolle a una temperatura superiore ai 100°C.

E’ quello che avviene nella pentola a pressione: la cottura dei cibi è più rapida perché avviene ad una temperatura maggiore.

Abbassando fortemente la pressione è possibile far bollire l’acqua anche a temperatura ambiente.

Durante un passaggio di stato, la temperatura rimane costante fino a quando il passaggio stesso non si è completato.

La fusione e l’ebollizione avvengono per riscaldamento della sostanza, la liquefazione e la solidificazione per raffreddamento.



LA FUSIONE


Quando si riscalda un solido la sua temperatura aumenta.

Questo significa che le molecole compiono oscillazioni sempre più ampie e veloci intorno alle loro posizioni di equilibrio nel reticolo cristallino.

Nel momento in cui si arriva alla temperatura di fusione, l’agitazione termica delle particelle è tale che il reticolo comincia a rompersi.

Per tutta la durata della fusione, il calore che viene somministrato dall’esterno non viene utilizzato per far aumentare la temperatura, ma per rompere il reticolo cristallino.

Solo quando tutto il solido si è trasformato in liquido è possibile fare aumentare la temperatura del sistema.

Generalmente la fusione è caratterizzata da un aumento di volume.



LA VAPORIZZAZIONE


Il passaggio da liquido ad aeriforme può avvenire in due modi: evaporazione ed ebollizione.

Di questi due fenomeni, soltanto l’ebollizione presenta tutte le caratteristiche di un passaggio di stato, perché avviene ad una temperatura fissa per ogni sostanza, e la temperatura del sistema resta costante per tutta la durata del passaggio di stato.

Man mano che si fornisce calore a un liquido, l’agitazione termica delle sue particelle aumenta.

Quando si raggiunge la temperatura di ebollizione, l’agitazione termica è tanto forte che il suo effetto prevale sulle forze di attrazione fra le molecole del liquido; le molecole, quindi, si separano l’una dall’ altra, e passano allo stato di vapore.

L’evaporazione è un processo più lento, avviene a qualsiasi temperatura e interessa solo la superficie del liquido: sono cioè le molecole della superficie che un po’ alla volta si staccano dalle loro vicine e si mescolano all’aria.

Più la temperatura dell’ambiente è elevata, più velocemente avviene l’evaporazione.

Inoltre, siccome il fenomeno interessa solo la superficie del liquido, più ampia è questa superficie più rapidamente avviene l’evaporazione.


LA LIQUEFAZIONE



La liquefazione è il passaggio da aeriforme a liquido.

Per farla avvenire senza variare la pressione, bisogna raffreddare il gas fino alla temperatura di liquefazione.

A questo punto il gas comincia a condensare formando goccioline di liquido, cioè le molecole del gas cominciano a formare dei legami fra loro, a unirsi l’una all’altra: si formano così le goccioline di liquido.

Se si continua a raffreddare la temperatura non cambia, ma una quantità sempre maggiore di gas si trasforma in liquido.

Soltanto quando tutto il gas è divenuto liquido è possibile fare abbassare la temperatura del liquido, se si continua a sottrarre calore.

Durante la liquefazione la temperatura rimane costante, perché il calore che viene sottratto dall’esterno con il raffreddamento è compensato dal calore che si sviluppa nel processo di formazione del liquido, cioè nella formazione di legami fra una molecola e l’altra.



LA SOLIDIFICAZIONE



Quando un liquido viene raffreddato, la sua temperatura si abbassa. Quando raggiunge la temperatura di solidificazione il liquido comincia a trasformarsi in un solido e la temperatura non si abbassa più. Il calore sottratto con il raffreddamento viene compensato dal calore che si sviluppa nel processo di formazione del reticolo cristallino del solido.

Infatti durante la solidificazione le molecole del liquido si dispongono man mano secondo la struttura ordinata propria dei solidi, e questo è un processo che sviluppa calore.




LA SUBLIMAZIONE



La sublimazione, passaggio diretto da solido a vapore, avviene soprattutto per alcune sostanze.

E’esperienza comune vedere che il ghiaccio “fuma”, cioè ha intorno del vapore; quel vapore è prodotto appunto dalla sublimazione del ghiaccio.

Ad esempio, se lasciamo all’aria un quadretto di canfora o una pallina di naftalina, vediamo che dopo un po’ di giorni le loro dimensioni si sono ridotte; il quadretto e la pallina sono diventati più piccoli, e col passare del tempo lo diventano sempre di più, fino a scomparire; questo perché anche la naftalina e la canfora sublimano, passando lentamente allo stato gassoso.

La sublimazione è tanto più intensa quanto minore e la pressione.

Ci sono sostanze che non sublimano a pressione ordinaria, ma sublimano se la pressione viene diminuita.

E per le sostanze che già sublimano a pressione ordinaria, l’entità della sublimazione diviene maggiore se si riduce la pressione.