4) Trasporto dell'acqua

Lezione 4. Acqua (domanda che spesso faccio all’esame: Parlami dell’acqua?)

L’acqua è una molecola costituita da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno attraverso un legame covalente polare.

Essa è una molecola polare, per cui l’acqua non ha una carica elettrica netta: essa è nulla, in quanto le cariche positive e negative sono uguali a 0 e si annullano.

La polarità dell’acqua è importante per la non linearità della molecola. Infatti presenta una struttura tetraedrica e l’angolo che si forma è di 104.5°.

L’acqua ha una forte tendenza a formare legami idrogeno con le altre molecole di acqua.

L’acqua è importante perché viene scissa dalle piante, che ci forniscono poi ossigeno, ed è proprio grazie alla fotosintesi che c’è la vita sulla Terra.

Quindi è essenziale sia la presenza dell’acqua ma soprattutto delle piante, perché anche se ci fosse stata soltanto l’acqua ma non ci fossero state le piante, la vita sulla Terra non sarebbe stata possibile, in quanto solo le piante ci forniscono ossigeno.

Le piante sono capaci di scindere la molecola d’acqua, che ha un legame fortissimo, quali legami idrogeno e legami covalenti, che sono estremamente stabili, e solo le piante sono capaci di scindere un legame così forte.

L’acqua gioca un ruolo cruciale nella vita dei vegetali, in quanto hanno bisogno dell’acqua per sopravvivere.

Quindi, anche dei piccolissimi perturbamenti nel flusso d’acqua, all’interno delle piante, soprattutto nel terreno, possono causare dei danni estremamente importanti all’interno delle cellule vegetali (deficit idrici).

Infatti, ogni giorno, la pianta attiva un processo di sopravvivenza grazie all’acqua, in quanto alla pianta per sopravvivere serve l’acqua, ma nello stesso tempo ha bisogno di prendere CO2 dall’atmosfera, attraverso gli stomi aperti.

L’apertura degli stomi determina la perdita d’acqua, che la pianta assorbe dal terreno.

Le piante attivano una “battaglia” con l’acqua, ossia con la loro omeostasi d’acqua all’interno delle cellule vegetali, perché devono cercare di trattenere l’acqua, ma nello stesso tempo di non perderla, a causa del processo di traspirazione, poiché le piante che presentano gli stomi aperti devono prendere la CO2, e l’acqua che prendono dal terreno, con l’apertura degli stomi, viene persa, e si può andare incontro a disidratazione.

Infatti la fotosintesi richiede da parte della pianta la cattura dell’anidride carbonica dall’atmosfera, ma questo espone le piante alla perdita d’acqua e alla minaccia di disidratazione.

Per evitare che le foglie secchino, l’acqua deve essere assorbita dalle radici e trasportata attraverso il corpo vegetale. Anche piccoli sbilanci fra assorbimento e trasporto d’acqua, come anche la perdita nell’atmosfera, possono causare deficit idrici e danni consistenti a numerosi processi cellulari.

Quindi le piante devono cercare di sopravvivere ed avere un bilancio idrico, all’interno della pianta stessa, che sia favorevole alla pianta. Infatti loro adottano tutta una serie di meccanismi e sfruttano anche le caratteristiche dell’acqua per far sì che il loro bilancio idrico sia positivo.

L’acqua rappresenta circa l’80-90% della massa cellulare delle cellule vegetali, e soprattutto viene immagazzinata a livello dei vacuoli.

Essa è un solvente ed è una delle caratteristiche chimiche più importanti dell’acqua, in quanto grazie all’acqua avvengono moltissime reazioni chimiche all’interno delle cellule non solo vegetali. Inoltre l’acqua garantisce anche lo spostamento di molecole, quindi garantisce il trasporto di molecole.

L’acqua, inoltre, è importante perché:

• Influenza le proprietà di alcune macromolecole;
• Partecipa a reazioni chimiche-biochimiche importantissime, quali l’idrolisi;
• È capace di dissipare calore.

L’acqua è il fattore limitante per la produttività agricola

Infatti se non vi è irrigazione non si possono avere alimenti, non potremmo avere niente dal mondo vegetale perché non sopravviverebbero senza acqua.

La disponibilità di acqua è direttamente proporzionale alla produttività delle piante, e quindi è direttamente proporzionale al raccolto delle piante, per cui limita la produttività delle piante.

Questo si vede dal seguente schema: a destra dell’immagine abbiamo la precipitazione annua, mentre a sinistra viene rappresentata la disponibilità dell’acqua nei giorni.

Vediamo che, man mano che aumenta la disponibilità dell’acqua sia nel periodo annuo ma anche all’interno dei periodi in cui non c’è molta disponibilità, la produttività è più bassa rispetto a quando c’è un’ottima irrigazione, e quindi abbiamo un’alta disponibilità dei prodotti alimentari.

Caratteristiche dell’acqua

L’acqua è una molecola costituita da un atomo di ossigeno legato covalentemente a due atomi di idrogeno.

Presenta un’ibridazione 2s² 2p⁴ ed ha la tendenza all’ibridazione sp³.

Qual è la caratteristica dell’acqua?

Le molecole d’acqua possono unirsi tra di loro attraverso dei legami idrogeno, che sono delle interazioni che avvengono tra l’atomo di ossigeno elettronegativo e l’atomo di idrogeno elettropositivo.

L’energia del legame idrogeno tra due molecole d’acqua è 4.5 kCal/mol.

Ma la caratteristica essenziale dell’acqua è che non ha una carica netta ma ha parziali cariche opposte che rendono questa molecola una molecola polare. Questo perché, essendo l’ossigeno elettronegativo, tende ad attrarre gli elettroni verso di sé, per cui si ha una parziale carica negativa sull’ossigeno che fa in modo che ci sia una parziale carica positiva sui due atomi di idrogeno.

I legami idrogeno sono importanti perché fanno in modo che l’acqua per pochissimo tempo, in quanto le molecole d’acqua sono in continuo movimento, diventi una molecola ordinata.

Questa sua caratteristica è dovuta alle interazioni idrogeno che rendono l’acqua estremamente ordinata per pochissimo tempo.

Poi, a causa della continua agitazione termica delle molecole d’acqua, i legami idrogeno si rompono e si instaurano successivamente, rendendo questa struttura di nuovo ordinata.

Quindi è un continuo, poiché si scinde e si lega attraverso i legami idrogeno.

Qual è la proprietà importante dell’acqua?

L’acqua è un ottimo solvente, cioè è in grado di sciogliere quantitativi enormi di un gran numero di sostanze, rispetto a quello che non riescono a fare gli altri solventi simili all’acqua.

Questo è dovuto in parte alle sue piccolissime dimensioni, e si vede benissimo nell’immagine il sale NaCl e l’acqua, che essendo un ottimo solvente, riesce a sciogliere molto bene il sale.

L’acqua riesce a legare i sali, ma anche gli zuccheri, ad esempio, ed è capace grazie a questa caratteristica e soprattutto alla sua natura polare, di sciogliere grossi quantitativi di sostanze, proprio perché l’acqua presenta delle dimensioni piccolissime e riesce a circondare le altre molecole, sale, e quindi a scioglierle.

Grazie alla sua polarità e alla capacità di formare legami idrogeno, l’acqua ha:

• Alto calore specifico;
• Alto calore latente di evaporazione.

Alto calore specifico

L’alto calore specifico è l’energia di calore richiesta per innalzare la temperatura di una sostanza di un determinato valore, così che le cellule della pianta non cambiano rapidamente temperatura.

Questo è importante perché le cellule vegetali sono esposte ad alte temperature soprattutto d’estate, ma anche nelle zone tropicali dove c’è caldo tutti i giorni, e l’acqua grazie a questa caratteristica, fa in modo che nelle cellule vegetali non ci sia un cambiamento improvviso di temperatura.

Alto calore latente di evaporazione

Inoltre, una caratteristica importante dell’acqua è l’alto calore latente di evaporazione, che è l’energia necessaria per separare le molecole dalla fase liquida e spostarle alla fase gassosa, e bisogna fornire molta energia al sistema per far in modo che ci sia questo spostamento di fase.

Questo è il processo che si verifica durante la traspirazione, in cui l’acqua, che viene assorbita dalle radici, viene trasportata attraverso la pianta ed evapora, persa, dalla superficie delle foglie.

Quindi grazie a questa caratteristica di alto calore latente di evaporazione, l’acqua si sposta dall’interno della foglia verso l’esterno, attraverso l’apertura degli stomi, e la pianta traspira.

Ma è difficile che tutto il liquido passi nella forma gassosa proprio perché l’acqua ha un altissimo calore latente.

L’esteso numero di legami idrogeno dell’acqua determina le seguenti proprietà:

• Coesione;
• Adesione.

La coesione è l’attrazione tra le molecole d’acqua. Abbiamo visto che le molecole d’acqua si legano.