Acqua

Acqua

Liquido composto da molecole di formula H O, costituite da idrogeno e ossigeno.

L'idea che l'acqua fosse un elemento semplice e primordiale prevalse fino alla metà del XVIII secolo, quando il chimico britannico Henry Cavendish riuscì a ottenere la sintesi del liquido provocando l'esplosione di una miscela di idrogeno e aria. Il significato e l'importanza dell'esperimento vennero del tutto compresi solo in un secondo tempo, grazie alle ricerche del chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier il quale suggerì che l'acqua fosse un composto contenente idrogeno e ossigeno. Nel 1804 il chimico francese Joseph-Louis Gay-Lussac e il naturalista tedesco Alexander von Humboldt dimostrarono che essa è costituita da idrogeno e ossigeno nella proporzione di due volumi a uno, stabilendo quindi la formula H O e con essa la vera natura del composto.

La maggior parte dell'idrogeno contenuto nell'acqua che si trova in natura ha peso atomico 1; tuttavia nel 1932 il chimico statunitense Harold Clayton Urey scoprì che nell'acqua è presente, nella concentrazione di una parte su 6000, ossido di deuterio, un composto di formula D O comunemente detto acqua pesante. Tracce di trizio, l'isotopo dell'idrogeno di peso atomico 3, furono rilevate nel 1951 dal chimico statunitense Aristid Grosse.

Proprietà

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, pari a 1 g/cm , alla temperatura di 4 °C e solidifica aumentando di volume. Come altri liquidi, può esistere in condizione di soprafusione, cioè può trovarsi allo stato liquido anche a una temperatura minore del punto di fusione, e può essere raffreddata fino a -25 °C senza congelare. L'acqua soprafusa, tuttavia, è fortemente instabile dal punto di vista fisico: congela istantaneamente se viene agitata, se la temperatura viene ulteriormente ridotta oppure se viene aggiunto un cristallo di ghiaccio o una particella di una sostanza insolubile, ad esempio polvere, che dia inizio al processo di cristallizzazione. Le proprietà fisiche dell'acqua vengono spesso sfruttate per tarare strumenti di misura della temperatura, del volume e della massa. Nel Sistema internazionale il punto triplo dell'acqua viene impiegato nella definizione dell'unità di misura della temperatura assoluta, il kelvin.

Dal punto di vista chimico, l'acqua è uno dei solventi più comuni; favorisce la ionizzazione dei sali e delle molecole in soluzione; reagisce con alcuni sali trasformandoli nelle rispettive forme idrate, con gli ossidi formando acidi e idrossidi, e partecipa come catalizzatore in molte reazioni chimiche.

Fonti

L'acqua è l'unica sostanza presente in natura, a temperatura ambiente, 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. La quantità di vapore presente nell'atmosfera viene espressa per mezzo del tasso di umidità relativa, calcolato come il rapporto tra la quantità di vapore acqueo presente a una determinata temperatura e il valore massimo possibile nelle stesse condizioni di temperatura.

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 protoplasma cellulare è una soluzione colloidale macromolecolare in cui l'acqua rappresenta l'elemento disperdente; grassi, carboidrati, proteine, sali e altre sostanze chimiche vengono disciolte e trasportate in soluzione acquosa, e ciò permette le numerose reazioni chimiche indispensabili per i cicli fisiologici. Il sangue degli organismi animali e la linfa delle piante sono costituiti prevalentemente da acqua, che ha la funzione di trasportare 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.

Ciclo naturale dell'acqua

L'idrologia studia la distribuzione dell'acqua sulla superficie terrestre, la sua interazione con altre sostanze naturali e il ruolo che essa svolge nella vita animale e vegetale. Lo scambio continuo di acqua fra terra e atmosfera viene chiamato ciclo idrologico. Per opera di vari fattori, primo fra tutti il calore irraggiato dal Sole, l'acqua evapora dal suolo, dalle distese d'acqua e dagli organismi viventi, per poi condensare e precipitare sotto forma di pioggia o neve.

La maggior parte dell'acqua che giunge sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia, o in generale di precipitazioni varie, si raccoglie in rigagnoli e fiumi e quindi fluisce direttamente nei mari; la frazione restante, invece, penetra nel terreno, dove contribuisce a mantenere umido il suolo, viene assorbita dalle radici delle piante, oppure filtra nel sottosuolo alimentando la falda e ritornando quindi in superficie attraverso le sorgenti.

Composizione

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 e altri gas, nonché tracce di sostanze organiche e inorganiche. In alcuni casi attraverso le precipitazioni giungono al suolo particelle radioattive, dando luogo al cosiddetto fallout radioattivo.

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 vengono assorbiti dagli strati superficiali del terreno dall'acqua che costituisce i fiumi. Il continuo apporto d'acqua dolce, nei mari e negli oceani, viene equilibrato dal processo di evaporazione che mantiene pressoché costante la concentrazione dei sali.

Purificazione dell'acqua

Le acque destinate all'uso domestico o industriale devono rispondere a determinate caratteristiche fisiche, chimiche e batteriologiche, non sempre presenti nelle acque disponibili in natura. Pertanto, in relazione ai diversi impieghi specifici, si rendono necessari processi di purificazione e potabilizzazione. Le sostanze in sospensione vengono generalmente eliminate mediante vagliatura o sedimentazione. L'odore e il gusto sgradevoli possono essere ridotti usando sostanze assorbenti come il carbone attivo, mentre l'aggiunta di cloro e l'irraggiamento selettivo a particolari lunghezze d'onda contribuiscono a ridurre l'eventuale carica batterica.

Con il metodo dell'aerazione l'acqua viene diffusa in modo da creare il massimo contatto con l'aria allo scopo di eliminare i cattivi odori provocati dalla decomposizione di sostanze organiche e di scorie industriali, come fenoli o cloro gassoso. L'aria, inoltre, trasforma i composti di manganese e ferro disciolti nelle acque negli ossidi idrati dei corrispondenti metalli, che essendo insolubili possono essere eliminati per filtrazione.

La durezza dell'acqua è determinata soprattutto dai sali di calcio e magnesio e, in piccola parte, da quelli di ferro, alluminio e altri metalli. I carbonati e i bicarbonati di calcio e magnesio costituiscono la principale componente della durezza temporanea, che può essere eliminata per bollitura. I sali rimanenti provocano durezza permanente che può essere ridotta mediante aggiunta di carbonato di sodio e ossido di calcio oppure per filtrazione su zeoliti naturali o artificiali. Questi materiali sono in grado di trattenere gli ioni metallici cedendo ioni sodio all'acqua.

Il ferro, che conferisce un cattivo sapore all'acqua, può essere rimosso per aerazione e sedimentazione oppure ricorrendo all'uso di zeoliti. Per usi di laboratorio l'acqua viene distillata o demineralizzata per scambio ionico.

Dissalazione dell'acqua

A causa delle sempre maggiori richieste d'acqua, soprattutto in zone aride o semiaride, sono stati sviluppati diversi metodi per ricavare a un costo accettabile acqua dolce dall'acqua di mare o dalle acque salmastre.

Le tecniche più usate, l'evaporazione a effetto multiplo, la distillazione per compressione di vapore e l'evaporazione istantanea, si basano sull'evaporazione dell'acqua e sulla successiva condensazione del vapore ottenuto. Il terzo metodo, che è il più usato, consiste nell'immettere acqua di mare riscaldata in serbatoi in forte depressione, in cui essa vaporizza quasi immediatamente. Il vapore viene estratto dai serbatoi e condensato, con conseguente produzione di acqua dissalata.

Un altro metodo consiste nel congelare l'acqua di mare: i cristalli di ghiaccio vengono separati dall'acqua satura di cloruro di sodio, lavati dal sale e sciolti in modo da ottenere acqua dolce.

Nel processo di osmosi inversa, invece, l'acqua salata viene premuta contro una sottile membrana che non permette il passaggio dei sali. L'elettrodialisi è un metodo usato per dissalare le acqua salmastre: gli ioni negativi e positivi presenti nelle soluzioni saline vengono eliminati facendo passare corrente elettrica in membrane anioniche e cationiche.

Il problema principale della dissalazione delle acque è costituito dai costi, che possono essere ridotti purificando acque salmastre anziché acqua di mare. Infatti, poiché l'acqua è potabile se contiene meno di 500 parti per milione (ppm) di sali, la purificazione dell'acqua salmastra, che contiene circa 1000-4500 ppm di sali, risulta più economica rispetto a quella dell'acqua di mare, che ne contiene oltre 35.000.