Acqua

L'acqua: indispensabile alla vita

nell'acqua ha avuto origine la vita sulla Terra più di 3,5 miliardi di anni fa; l'acqua (gli oceani) ricopre i 3/4 della superficie terrestre; costituisce dal 45% al 95% del peso corporeo degli esseri viventi; nessun organismo può rimanere in condizioni biologicamente attive in sua assenza.
Nelle cellule l'acqua partecipa a molte reazioni chimiche e rappresenta il mezzo (solvente) in cui avvengono la maggior parte delle reazioni chimiche. L'acqua può esistere in tre diversi stati fisici: solido (ghiaccio), liquido e gassoso (vapore).

La forma della sua molecola, la sua natura polare e la formazione di legami a idrogeno tra le molecole di acqua o con altre sostanze sono responsabili delle sue insolite proprietà.

H₂O

La molecola dell'acqua è formata da 2 atomi di Idrogeno (H) e 1 atomo di Ossigeno (O):

La forma della molecola di acqua è determinata dalla distribuzione spaziale delle 4 coppie di elettroni presenti nel guscio esterno dell'atomo di O; ogni coppia di elettroni occupa un orbitale;
2 delle 4 coppie di elettroni formano i legami con i 2 atomi di H, anche le altre 2 coppie di elettroni non impegnate nei legami influenzano la forma della molecola dell'acqua.
A causa dei loro elettroni carichi negativamente, i 4 orbitali si respingono tra loro, facendo assumere alla molecola dell'acqua una forma tetraedrica, conferita dal massimo allontanamento.

Nello stato solido (ghiaccio),
le molecole di acqua sono posizionate in una rigida struttura cristallina in cui ogni molecola forma 4 legami a idrogeno con altrettante molecole vicine.
Le molecole però non sono così strettamente impaccate come nello stato liquido, perciò l'acqua allo stato solido è meno densa dell'acqua allo stato liquido e questa è la ragione per cui il ghiaccio galleggia sull'acqua.

La conseguenza di ciò è che in inverno su fiumi e laghi il ghiaccio crea sulla superficie uno strato che galleggia formando, così, uno strato isolante che riduce la perdita di calore dell'acqua verso l'aria fredda soprastante.
In tal modo pesci, piante ed altri organismi possono continuare a vivere durante l'inverno senza essere sottoposti a temperature al di sotto di 0°, temperatura di congelamento dell'acqua.

La fusione di 1 mole di acqua richiede una elevata quantità di energia (5,9 kJ), perché il passaggio di 1 mole di acqua dallo stato solido a quello liquido richiede la rottura di più di 1 mole di legami a idrogeno.
Il processo opposto: il congelamento libera una grande quantità di energia. Tali proprietà rendono l'acqua una sostanza capace di mitigare i cambiamenti di temperatura.

Altra proprietà dell'acqua è l'elevata capacità termica, proprietà che contribuisce a moderare le variazioni di temperatura. La capacità termica di una sostanza è la quantità di energia termica necessaria per aumentare di un grado centigrado la temperatura della sostanza stessa.
L'aumento della temperatura dell'acqua richiede una notevole quantità di energia termica e ciò spiega la costanza della temperatura degli oceani e dei mari al variare delle stagioni; anche i cambiamenti di temperatura delle zone costiere sono moderati dalla presenza delle grandi distese di acqua.

Nell'acqua allo stato liquido le molecole sono libere di muoversi, si formano e si rompono legami a idrogeno tra le molecole di acqua.
La presenza dei legami a idrogeno spiega l'elevata forza di coesione dell'acqua. La forza di coesione permette alle sottili colonne di acqua di innalzarsi dalle radici fino alle foglie degli alberi,
quando l'acqua evapora dalle foglie la colonna di liquido si sposta verso l'alto per la forza trainante delle molecole presenti all'inizio.

L'acqua è caratterizzata anche da una elevata tensione superficiale, le molecole di acqua presenti in superficie sono legate con legami a idrogeno a quelle immediatamente sottostanti.
La tensione superficiale dell'acqua rende possibile riempire di acqua un recipiente un po' al di sopra del suo margine superiore senza che l'acqua in eccesso si riversi fuori.

L'acqua possiede un elevato calore di vaporizzazione, quando passa dallo stato liquido a quello gassoso (evaporazione) assorbe una notevole quantità di calore dall'ambiente circostante e quindi l'evaporazione raffredda l'ambiente:
ciò spiega anche perché la sudorazione raffredda il nostro corpo, evaporando l'acqua sottrae calore all'organismo.