Sorella acqua

L’acqua

L’acqua è il composto chimico più abbondante sulla Terra e nella materia vivente e si presenta sotto la formula molecolare H₂O.

Come possiamo notare, la molecola dell’acqua è formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, legati covalentemente tra loro. Il legame covalente si forma quando due atomi, anche di natura diversa, mettono in comune una coppia di elettroni.

In questo caso, però, la molecola contiene un legame covalente polare, in quanto gli atomi sono diversi ed esercitano una diversa forza di attrazione sugli elettroni, chiamata elettronegatività. L’elettronegatività dell’ossigeno (3.44 ca) prevale su quella dell’idrogeno (2.20 ca) e la coppia di elettroni comuni risulterà spostata verso l’atomo di ossigeno, più elettronegativo, generando un dipolo elettrico, ovvero un sistema che ha due poli elettrici con uguale carica q, ma di segno opposto, separati da una certa distanza d.

Per spiegare la struttura piegata della molecola, bisogna introdurre il concetto di momento dipolare. Infatti, ogni dipolo elettrico è caratterizzato da un suo momento dipolare (u = q · d), una grandezza vettoriale rappresentata con una freccia orientata verso l’atomo più elettronegativo.

La somma di tutti i momenti dipolari dei legami presenti all’interno dell’acqua è diversa da zero, per questo definiremo la molecola dell’acqua una molecola polare.

Dal punto di vista della geometria molecolare, si è osservato ai raggi X che i legami H-O della molecola non formano un angolo di 90° (come prevedibile per due orbitali p puri) ma un angolo di 105°.

H₂O

Ciò è possibile tramite l’ibridazione dell’orbitale s con i tre orbitali p, con la formazione di quattro orbitali sp³ ibridi ed identici fra loro.

L’angolo di 105° è giustificato dal fatto che i due orbitali ibridi sp³ che contengono coppie di elettroni non condivise esercitano una forte repulsione sui due orbitali sp³ impegnati nel legame O-H.

Per quanto riguarda le forze intermolecolari, il legame ad idrogeno trova massima espressione nel caso di molecole di acqua. È una forza attrattiva che si stabilisce tra molecole che contengono un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo piccolo, molto elettronegativo e con una coppia elettronica libera (N, O, F).

Nel caso dell’acqua, il legame ad idrogeno ha origine dalla differenza di elettronegatività tra l’atomo di ossigeno e quello di idrogeno: l’ossigeno possiede una parziale carica negativa (delta meno) e i due idrogeni hanno parziale carica positiva (delta più). Per questo motivo ogni atomo di idrogeno è attratto dall’atomo di ossigeno della molecola vicina. Questo legame è il più forte fra le forze intermolecolari ma, allo stesso tempo, è circa 10 volte più debole di un legame covalente.

Una delle proprietà dell’acqua, ovvero il suo punto di ebollizione molto elevato, è dovuto alla presenza del legame ad idrogeno tra una molecola e l’altra: per separare tali legami è necessaria una quantità di energia elevata.

Questa particolare struttura chimica spiega la maggior parte delle proprietà che caratterizzano questa speciale molecola:

• È il miglior solvente esistente in natura, pertanto è praticamente impossibile ottenerla pura.
• Ha una elevata trasparenza.
• È l’unica sostanza che a temperature e a pressione ambiente si presenta in tutti e tre gli stati fisici: solido (ghiaccio), liquido e gassoso (vapore acqueo) e mediante scambi di calore si può ottenere un passaggio da uno stato di aggregazione all’altro.
• Ha il più alto calore latente di fusione (0 °C), ovvero l’energia necessaria a far avvenire il passaggio di stato solido-liquido.
• Ha un elevato calore latente di evaporazione (100 °C), ovvero l’energia necessaria a far avvenire il passaggio di stato liquido-gassoso.
• Nel caso dell’acqua il calore specifico è molto elevato: 4,19 KJ/Kg.

Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore che permette di far variare la sua temperatura di 1 °C.

• Ha una viscosità elevata. La viscosità, o attrito interno, è quella proprietà fisica dei corpi in genere, che si manifesta, ad esempio, nella resistenza che l’acqua offre all’avanzamento di un corpo il quale vi si muova.
• La sua densità, ovvero il rapporto tra la massa e il volume, varia con la temperatura.

Questo ci aiuta a spiegare il comportamento anomalo dell’acqua da 0° a 4°, dove, con il diminuire della temperatura, il suo volume, anziché aumentare, diminuisce e la densità aumenta. Quindi, per la Legge di Archimede — un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume del liquido spostato — lo strato più denso scende verso il fondo e l’acqua più calda e meno densa che si trova sul fondo sale.

Arrivati però alla temperatura di 4°, il volume dello strato superficiale aumenta e la sua densità diminuisce, cioè l’acqua che si trova sopra diventa meno densa di quella sottostante, e per la Legge di Archimede lo strato superficiale meno denso non può scendere e rimane in superficie, dove continua a raffreddarsi fino a che diventa ghiaccio.

L’elettrolisi

L’elettrolisi è l’insieme dei fenomeni che avvengono nelle soluzioni elettrolitiche per il passaggio di corrente continua.

Osserviamo quello che succede in un apparato sperimentale che viene utilizzato per studiare la conducibilità elettrica nei liquidi, chiamato cella elettrolitica, formato da un generatore, un amperometro e da due conduttori metallici che prendono il nome di elettrodi e sono immersi in un contenitore contenente acqua.

Nel primo caso, quando accendiamo il generatore, creiamo all’interno del liquido una differenza di potenziale e, di conseguenza, un campo elettrico, ma, come notiamo dalla lancetta dell’amperometro, che rimane fissa sullo 0, l’acqua distillata è un isolante.