Chimica applicata

Ogni molecola di acqua può formare al massimo 4 legami a idrogeno e si dispongono

tetraedricamente intorno ad ogni molecola di acqua.

Nell’acqua, liquida o solida, si formano moltissimi legami a idrogeno e la forza che ne risulta è così

conferire all’acqua tutte le sue proprietà.

intesa da con la parte positiva di un’altra molecola d’acqua

Nello stato solido, ogni parte negativa, interagirà

formando una struttura cristallina molto espansa (ai vertici di un tetraedro regolare, O e H giaceranno

su una linea retta così la forza del legame idrogeno sarà massima, sono inibite le fluttuazioni

termiche).

Perché al massimo 4 legami H? perché ogni O ha due doppietti elettronici e H ha un solo doppietto

elettronico.

Nel ghiaccio questa particolare disposizione porterà alla formazione di una struttura regolare molto

espansa che caratterizzerà il ghiaccio.

DIAGRAMMA DI FASE DELL’ACQUA

L’acqua è l’unico composto che si può trovare nello stato liquido, solido e gassoso.

Esiste un particolare punto nel diagramma il

PUNTO TRIPLO che corrisponde a un valore

di T=0,001°C P=4,58 mmHg in cui si ha la

coesistenza delle tre fasi. La distribuzione

ordinata e periodica dell’acqua che

caratterizzerà lo stato solido, verrà

mantenuta solo localmente.

Polarità e legame a idrogeno determinano

una complessità molecolare dell’acqua

liquida, conferendo proprietà chimico-fisiche

peculiari. Le proprietà sono: densità,

proprietà termiche, forze di coesione,

tensione superficiale, capacità solvente, pH.

Per quanto riguarda la densità ho un

comportamento anomalo della densità al variare della temperatura.

Per densità intendiamo p=m/v, tutte le sostanze allo stato solido saranno più dense rispetto alle

stesse sostanze allo stato liquido; perché la densità diminuisce all’aumentare della temperatura.

L’acqua fa eccezione, l’acqua aumenta di volume

passando dallo stato liquido allo stato solido IL

MENO DENSO RISPETTO ALL’ACQUA

GHIACCIO È

ALLO STATO LIQUIDO (ecco perché il ghiaccio

galleggia sull’acqua). L’acqua fino ai 4°C si comporta

come tutte le altre sostanze dove si raggiunge la

densità massima, ha quindi il minimo volume.

Continuando a raffreddare le cose cambiano, cominci a

dilatarsi parzialmente.

c’è un aumento improvviso di volume

Arrivati allo 0°C

di circa il 10% e un conseguente crollo della densità

dell’acqua allo stato solido. 1

Questo accade perché? Nella fase solida (stato ordinato) ogni molecola di acqua forma il numero

massimo di legami idrogeno, ovvero quattro, che si dispongono tetraedricamente formando la

Nell’acqua liquida la struttura

struttura cristallina esagonale stabile, regolare, espansa (il ghiaccio).

tetraedrica rimane solo localmente. Per passare a questa fase devo fornire energia termica al

sistema, che porta a un indebolimento dell’interazione elettrostatica tra le varie molecole d’acqua.

ad allentare i legami ad idrogeno tra le varie molecole d’acqua, che saranno libere di

Tenderà l’una rispetto all’altra, non saranno più ancorate alla loro posizione

compiere fluttuazioni termiche di

equilibrio.

La presenza di legami a idrogeno tra le molecole di acqua, le conferiscono alcune proprietà peculiari.

L’acqua esiste nello stato solido in una varietà di cristallizzazioni (stabili e metastabili) e di strutture

amorfe più ampia che per altri materiali.

L’acqua allo stato solido può esistere in una varietà di cristallizzazioni più ampia rispetto ai materiali,

in particolare si può trovare nella struttura cubica e struttura esagonale.

le molecole d’acqua sono ai vertici del tetraedro (cambia l’angolo di legame tra

Struttura esagonale:

una molecola d’acqua e un’altra nella struttura cubica) rappresenta la forma più tipica di tutte le

forme di ghiaccio e neve presenti sulla terra, sono tutta una serie di anelli esagonali. Però dal

d’acqua

diagramma di fase sappiamo anche che esiste sottoforma di struttura cubica: le molecole

si dispongono per dare vita a strutture cubiche che hanno sempre una ripetizione ordinata e

periodica, è una forma metastabile; quindi, più comune. Si forma spontaneamente quando il vapore

acqueo evapora negli strati più alti dell’atmosfera, che condensa temperature di -50/-60°C il vapore

acqueo subisce un congelamento, dove le molecole d’acqua si organizzano in una struttura cubica.

Diverso è il caso dell’acqua allo stato liquido; nell’acqua liquida esiste un equilibrio tra le molecole

di H2O strutturate in clusters, stabilizzati da legami idrogeno, e molecole libere di ruotare nella fase

La struttura ordinata si mantiene quindi solo parzialmente a seguito dell’aumento dell’energia

liquida.

termica che ha favorito il passaggio di stato.

A livello strutturale, l’acqua liquida, come tutti i liquidi, contiene aggregati di nanocristalli (derivano

dallo stato solido) termicamente labili; essa mantiene in parte la struttura cristallina esagonale tipica

del ghiaccio e in parte quella cubica. Per riarrangiamento di aggregati cristallini esagonali e cubici,

possono formarsi nanocristalli icosaedrici.

Paradossalmente l’acqua calda può congelare più rapidamente dell’acqua fredda. L’acqua fredda

contiene un numero maggiore di nanocristalli icosaedrici. Per la formazione del ghiaccio, i

nanocristalli icosaedrici devono cristallizzare nella forma esagonale. Essendo gli icosaedri presenti

in numero maggiore nell’acqua fredda, ci vorrà più tempo affinché si formi il ghiaccio. EFFETTO

l’acqua fredda contiene al suo interno un maggior numero di nanocristalli

MPEMBA: icosaedrici

rispetto all’acqua calda, e quindi dato che questi nanocristalli icosaedrici devono riarrangiarsi per

→

formare il ghiaccio, devono ricristallizzare nella forma esagonale affinché questo avvenga ci vorrà

più tempo.

L’acqua possiede un elevato calore specifico, ovvero ha un’levata capacità di assorbire energia. È

richiesta una maggiore energia per favorire il passaggio di stato, soprattutto dallo stato liquido allo

stato solido; è pari circa a 1 cal/g. Il calore specifico è il numero di calorie necessario per alzare di

un grado la T di un g di sostanza. A parità di massa necessità di una quantità di calore più elevata

L’acqua

di qualsiasi altra sostanza prima di manifestare lo stesso lo stesso aumento di temperatura.

si riscalda e quindi si raffredda molto più lentamente rispetto alle altre sostanze. Questo valore è

=0,5 cal/g perché cambiano i gdl all’interno del sistema.

doppio rispetto a quello del ghiaccio c Nella

p

liquida le molecole hanno più direzioni, maggiore sup specifica che deve essere riscaldare per

aumentare la t del sistema. 2

Questa elevata quantità di energia necessaria risiede nei numerosi legami a idrogeno tra le varie

molecole d’acqua; la forza di questo legame risiede infatti nel numero. Parte di energia fornita servirà

per spezzare i legami idrogeno. Assorbe molto calore prima di aumentare di temperatura

significamente, per lo stesso motivo presenterà un alto calore latente =,6 kcal/g. 1:13:00

L’acqua è in grado di assorbire al suo interno un elevato quantitativo di calore minimizzando

l’aumento ha permesso lo sviluppo della vita all’interno del mare, l’acqua

di temperatura; del mare

infatti assorbe molta energia dal sole ma riesce a mantenere la sua temperatura pressoché costante.

Questa capacità permette ai mari fiumi e ai laghi (accumulo di acqua) di agire come riserva di calore.

COESIONE E TENSIONE SUPERFICIALE

L’acqua possiede una elevata tensione superficiale dovuta ai legami a idrogeno fra le molecole che,

in corrispondenza della superficie di contatto acqua/aria, sono più forti, determinando una condizione

forze di coesione giustificano l’alto

paragonabile a quella di una membrana elastica. Le elevate

caratterizza l’acqua stessa. Prendendo l’acqua liquida in un

valore di tensione superficiale che

bicchiere, all’interno ogni molecola è circondata da altre molecole d’acqua, le forze elettrostatiche si

Diversa è la situazione sul pelo libero dell’acqua (contatto aria acqua), ogni

bilanciano tra di loro.

molecola d’acqua dalle molecole d’aria, perché le interazioni che si vengono a creare

non è attratta con le molecole d’acqua

sono di Van der Walls, trascurabili rispetto a quelle di coesione

immediatamente adiacenti o sottostanti. In superficie si vengono a generare delle forze più elevate

rispetto all’interno del liquido, che prendono il nome di tensione superficiale. L’azione di queste forze,

fanno si che la superficie si contragga, si comporti come una pellicola elastica, che giustifica il non

affondare ad esempio di una graffetta di metallo.

L’acqua a T ambiente presenta una tensione superficiale di 72,7 mN/m.

L’acqua è il solvente (sciogliere al suo interno un gran numero di sostanze solido gassose) più

comune in natura. Affinché una sostanza si sciolga è necessaria molta energia per allontanare tra

loro le molecole d’acqua e far posto alle particelle di soluto.

La capacità dell’acqua di sciogliere sostanze solide o gassose di vario tipo è dovuta principalmente

a due fattori:

- La formazione di ponti idrogeno

- La natura elettrico-dipolare delle sue molecole (valida per i soluti contenenti molecole

elettricamente cariche -ioni o polari)

l’acqua è solvente di sali

In particolare, (polari) ed in genere di composti a carattere ionico (polari).

Quando un composto ionico polare che viene disciolto in acqua, viene circondato dalle molecole di

acqua, le quali, si inseriscono tra uno ione e l’altro o tra una molecola e l’altra di soluto, orientandosi.

(catione verso anione, viceversa). Si rompe la struttura cristallina e ogni atomo si troverà:

(in questo caso l’acqua),

Solvatato=circondato dalle molecole di solvente questo processo si chiama

SOLVATAZIONE. (a differenza dell’olio, apolare, genera due fasi

Zucchero e sale si sciolgono perfettamente in acqua

→

distinte), riescono a essere solvatate sono polari. Questo però non significa che posso scioglierne

in quantità infinte. Il processo di solvatazione è un processo spontaneo e irreversibile solo fino a un

certo valore, il limite di solubilità.

La separazione dei cationi dagli anioni è spontanea e irreversibile fino a quando il numero di

grammomolecole di sale disciolte in un litro di soluzione raggiunge un valore limite, denominato

solubilità. 3

La solubilità di una sostanza rappresenta la quantità massima di sostanza di soluto che si

può trovare in soluzione.

Dal grafico ascisse T ordinate solubilità. La solubilità è fortemente influenzata dalla T.

Nei sistemi acqua sale, curva blu, all’aumentare di T aumenta la solubilità → sistemi a solubilità

NaCl 350 g/L, tutto l’eccesso da vita a una soluzione sovrassatura.

diretta. Volendone sciogliere di

più, devo aumentare la temperatura.

Questo però non vale per i gas, curva arancione (O, CO2, ecc…) → la solubilità diminuisce

all’aumentare della T → sistemi a solubilità inversa. Acqua frizzante ad esempio: a temperature più

basse!

Per quanto riguarda il pH

Dobbiamo considerare che l’acqua in natura non è pura. Una parte di acqua si troverà dissociata in

-

ioni idronio H3O+ e ioni idrossido OH . Come avviene la formazione di questi ioni? Alcune molecole

di acqua tendono a ionizzarsi, ioni idrogeno e ioni ossidrili. Gli h+ sono estremamente reattivi,

→

si legano immediatamente alla molecola d’acqua adiacente

sono poco stabili, formazione

ione idronio e ione idrossido.

La tendenza di una piccola frazione delle molecole d’acqua di ionizzarsi è bilanciata dalla tendenza

→

di questi ioni a riassociarsi tra loro, per raggiungere di nuovo la condizione di stabilità processo

di autoionizzazione dell’acqua. Possiamo far corrispondere all’equazione di dissociazione una

costante di equilibrio il cui valore sarà: Keq= [H3o+][OH-]/[H2O]2

Dato che la frazione d’acqua dissociata è trascurabile rispetto a quella non dissociata, possiamo

assumere [H2O]==55,6 moli/litro

Keq=3,2*10-18 a temperatura ambiente, un valore estremamente piccolo, le dissociate sono

trascurabili rispetto a quelle che si trovano nella forma non dissociata.

dove Kw prodotto ionico dell’acqua circa 10-14

[H3O+][OH-]=3,2*10-18*(55,6)2=Kw=9,89*10-15

(moli/litro)2.

Ioni idronio e idrossido tendono naturalmente a ri-associarsi, poiché due cariche elettriche di segno

opposto si attraggono. Ma tute le volte che una coppia si ri-associa per formare due molecole di

H2O, le altre molecole di H2O si dissociano.

la dissociazione dell’acqua è un equilibrio

Come conseguenza del fatto che chimico, K a

w

temperatura ambiente è quindi costante e dipende solamente dalla temperatura e non dalla

presenza di altri composti disciolti nell’acqua (soluti).

L’eccezionale proprietà di Kw permette di prevedere che, se [H3O+] aumenta, si verificherà una

concomitante diminuzione di [OH-], in modo che il prodotto tra i valori di queste due concentrazioni

si mantenga costante e uguale a 10-14 (se non è stata variata la temperatura!).

Analogamente, se si provoca un aumento di [OH-], si verificherà una concomitante diminuzione di

[H3O+].

Basterà quindi conoscere il valore di [H3O+] per ricavare quella di [OH-] grazie alla proprietà di K .

w

Nell’acqua pura (Tamb) abbiamo una condizione di elettroneutralità [H3O+]=[OH-]=10-7 moli/litro ,

pH=-log[H3O+]=7

pH (detto anche esponente di idrogeno) logaritmo decimale negativo della concentrazione molare

di H+ presenti in soluzione. Il valore pH=7 indica la situazione [H3O+]=[OH-] ovvero la neutralità. 4

Soluzioni acquose con pH<7 sono dette acide [H3O+]>[OH-]; con pH>7 sono dette basiche o

alcaline [OH-]>[H3O+].

Sono gli ioni idronio e idrossido, derivanti dalla dissociazione, ad essere responsabili del doppio

comportamento dell’acqua nell’essere un acido o una base.

Il pH dell’acqua ha un grande significato tecnologico, avrà caratteristiche incrostanti oppure

corrosive. Fondamentale ad esempio nelle reti idriche.

Il calcare, CaCO3, è una sostanza poco solubile nell’acqua pura.

L’acqua piovana è leggermente acida, a cause della CO2 disciolta;

→

CO +H2O H2CO3 quando questa attraversa un terreno ricco di calcare, CaCO viene

2 (aq) (l) (aq) 3

convertito in Ca(HCO ) bicarbonato di calcio, solubile in acqua.

3

Diminuendo la concentrazione di CO2 disciolta nell’acqua (riscaldando l’acqua), l’equilibrio si sposta

→

verso sinistra; parte del Ca(HCO3)2 CaCO3 che, trovandosi in eccesso, precipita (acqua

incrostante).

Viceversa, se aumenta la concentrazione di CO2, l’equilibrio si sposta verso destra (acqua

aggressiva).

L’acqua è influenzata dal ciclo biologico che compie:

ad esempio, nelle zone industriali i gas che vengono assorbiti dall’acqua piovana possono dare

problemi di inquinamento della fonte. Infiltrandosi nel terreno, può catturare elementi nel terreno (ad

un’acqua

esempio a contatto con un terreno gessoso sarà ricca di calcio e solfato); la presenza di

CO2 nell’acqua può portare una maggiore solubilizzazione dei minerali quali CaCO3, MgCO3,

CaCO3*MgCO3 (dolomite) e altri carbonati.

Quando parliamo di ciclo dell’acqua, intendiamo tutto l’insieme dei processi che permettono

all’acqua di evaporare dal mare e immettersi nell’atmosfera, per poi tornare sulla terra e raggiungere

ciclo idrologico dell’acqua e consiste in tutti quei

nuovamente il mare. È conosciuto come

cambiamenti di stato che l’acqua compie. Questi molteplici cambiamenti di stato fisico includono

evaporazione, condensazione, infiltrazione, precipitazione e lo scorrimento.

EVAPORAZIONE l’acqua per azione dell’energia termica del sole, evapora verso l’atmosfera, negli

ascensionali; dove l’aria si raffredda →

strati superiori arriva grazie alle correnti per la sua solubilità

→

inversamente proporzionale alla temperatura, passa allo stato liquido CONDENSAZIONE nuvole.

Le nuvole, raggiunto un certo tasso di crescita, con la precipitazione tornano a terra.

Quest’acqua meteorica, prima di raggiungere il suolo, tende a saturarsi di tutti i gas presenti in

atmosfera, subendo quindi un cambiamento di pH.

In natura l’acqua non si trova mai allo stato puro, ma in essa si trovano sali disciolti o sostanze

organiche. Anche l’uomo contribuisce ad aggiungere nell’acqua un certo numero di sostanze liquide

solide e gassose. Tutte queste sostanze possono interagire tra di loro chimicamente e fisicamente,

quindi possono subire trasformazioni biologiche.

➔ Le acque naturali devono essere considerate impure poiché non contengono solo

acqua, anche se non vuol dire che tutte le acque devono essere considerate inquinate.

Le acque naturali possono essere di tre tipi:

- Materiali sospesi: non si dissolvono in essa, e possono essere solidi (detriti vegetali e

minerali) o liquidi (sostanze oleose). In ogni caso sono sempre visibili almeno al microscopio

elettronico. 5

- Sostanze di natura gassosa (CO2, O2, NH3) o di natura colloidale (anioni e cationi,

l’avqua riesce a sciogliere soprattutto in concomitanza di zone inquinate).

- Sosta