Acqua

L’acqua è un composto chimico di formula molecolare H2O, assai diffuso in natura nei suoi tre stati d’aggregazione: solido, liquido e aeriforme. Allo stato solido è nota come ghiaccio, allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo.

L’acqua è la molecola più comune sia negli organismi sia nell’ambiente; costituisce il 70% della massa cellulare ed è utilizzata dagli organismi sia per tenere in soluzione entro le cellule molte molecole in modo che possano reagire in processi metabolici (l’acqua nei metabolismi), sia per trasportare molecole da una cellula all’altra (biochimica del ciclo del carbonio).

Possiede proprietà fisiche interessanti per la termostatazione dell’ambiente, dato che una notevole quantità di calore è coinvolta nei passaggi di stato; inoltre, avendo massima densità a 4°C, le acque con temperature vicine a 4°C possono venire a contatto: ciò è un fattore di stabilità termica per l’ambiente (sviluppo sostenibile).

Proprietà chimico-fisiche dell’acqua

L’acqua ha un punto di fusione, un punto di ebollizione, un calore di vaporizzazione, un calore di fusione ed una tensione superficiale decisamente più elevati di idruri simili ad essa, come l’acido solfidrico o l’ammoniaca. Le eccezionali proprietà chimico-fisiche dell’acqua sono legate alla sua polarità elettrica e alla possibilità di formare legami a idrogeno intermolecolari (dovuti ad una interazione elettrostatica tra gli atomi di ossigeno e gli atomi di idrogeno di molecole di acqua vicine tra loro, con un’intensità esaltata dall’elevata elettronegatività dell’ossigeno, cioè dalla sua capacità di attrarre gli elettroni dei legami covalenti in cui è coinvolto, nello specifico l’idrogeno, che risulta con una parziale carica positiva e disponibile così al legame intermolecolare).

Si creano cioè legami parziali tra atomi di ossigeno e di idrogeno di molecole diverse. Poiché le sue molecole sono polari è un solvente eccellente per i sali e le molecole che presentano legami polari.

Disposizione degli atomi nella molecola dell’acqua.[1] Gli elettroni sono maggiormente attratti verso l’atomo di ossigeno, essendo questo più elettronegativo dell’idrogeno, pertanto i legami che si formano tra gli atomi di H e l’atomo di O sono chiamati “covalenti polari”, in quanto presentano una parziale carica negativa in corrispondenza dell’atomo di ossigeno ((\delta^-)), e una parziale carica positiva in corrispondenza degli atomi di idrogeno \((\delta^+)\).

Le conseguenze dei legami parziali tra le molecole di acqua sono, da una parte, l’allentamento dei legami esistenti, dall’altra la formazione dinamica (che si modifica cioè continuamente) di agglomerati di molecole di acqua che giustificano l’alto punto di ebollizione che è pari a 100 °C (nonostante il basso peso molecolare): ovvero, è come se si trattasse non di singole molecole di acqua ma di un “polimero” con peso molecolare più alto. A temperatura ambiente, quindi, l’acqua dovrebbe presentarsi allo stato gassoso e non liquido, tuttavia grazie ai forti legami idrogeno l’acqua presenta un punto di ebollizione enormemente più alto rispetto a quello delle sostanze molecolarmente simili.

Il legame idrogeno genera un’attrazione tra le molecole d’acqua con un’intensità che non ha eguali negli altri liquidi. Le molecole d’acqua possono formare quattro legami idrogeno con le loro vicine, per creare una struttura tetraedrica le cui facce sono triangoli equilateri. Questa configurazione si ripete in tutto il liquido fino a formare una sorta di reticolo tridimensionale mobile, elastico, con legami che si formano e si rompono di continuo, con una frequenza dell’ordine di 10-12 secondi. L’acqua non è quindi un semplice insieme di molecole tra loro dissociate, bensì una struttura legata, che come tale si comporta anche a livello macroscopico.

Confrontata con altre sostanze dalle molecole simili per massa o omologhe di altri elementi dello stesso gruppo della tavola periodica (ad esempio l’acido solfidrico), l’acqua allo stato liquido presenta alcune anomalie:

  • un punto di ebollizione molto alto pari a 100 °C;
  • un volume molare piuttosto basso;
  • un calore specifico elevato con un minimo a 35 °C;
  • una viscosità che presenta un minimo alle alte pressioni;
  • un punto di massimo nel diagramma densità-temperatura, per cui al di sotto della temperatura di massimo il liquido diminuisce di volume all’aumentare della temperatura.
  • durante il processo di congelamento si ha un notevole aumento di volume.

Il colore dell’acqua

L’acqua risulta ai nostri occhi di colore blu perché quando la luce del sole, che contiene tutti i colori, vi penetra, alcuni colori vengono assorbiti dalle sue molecole, in particolare vengono prevalentemente assorbiti i colori arancione e rosso.

Invece per quanto riguarda l’acqua marina il colore è dovuto anche dal plancton, infatti, questi microorganismi assorbono un po’ di luce blu e rossa mentre la grande quantità di materia organica disciolta assorbe quasi esclusivamente luce blu. Questo fa sì che la luce restante tenda ad un blu più profondo e violaceo rispetto all’azzurro pallido dell’acqua pura. Invece il colore verde turchese delle acque dei mari del sud e delle isole dei Caraibi è dovuto all’ingente presenza di fitoplancton, diffusore particolarmente efficace di luce gialla e verde.

Calore specifico dell’acqua

L’acqua ha un elevato calore specifico, questo significa che occorre molta energia per innalzarne la temperatura (4,184 J/g °C), una quantità superiore rispetto a quella richiesta da molte altre sostanze, al contrario, impiega molto tempo prima di perdere il calore accumulato e raffreddarsi. Questa proprietà dipende ancora dai legami a idrogeno: l’agitazione termica delle molecole viene contrastata dalle forze di attrazione e una delle principali conseguenze di questo fatto è il volano termico, ovvero l’effetto calmierante sul clima dovuto alle grandi masse d’acqua.

Ecco perché viene impiegata nei sistemi di refrigerazione (ad esempio nel radiatore delle autovetture, o nei sistemi di raffreddamento degli impianti nelle industrie). Ed è per questa sua caratteristica che nelle regioni costiere (o lacustri) la temperatura dell’aria è più mite: in queste zone, infatti, la temperatura dell’acqua diminuisce o aumenta più lentamente rispetto a quella dell’aria al variare delle stagioni e così ‘mitiga’ la temperatura dell’aria sovrastante.

Aumento del volume di congelamento dell’acqua

Un altro comportamento anomalo dell’acqua è dato dall’aumento del volume di congelamento della massa liquida, infatti l’acqua è una delle pochissime sostanze (insieme a gallio, bismuto e antimonio) in cui il processo di solidificazione avviene con un aumento di volume specifico (pari a circa 0,087 L/kg, alla temperatura di 0 °C (273,15 K) alla pressione di 1 atm).

Nell’acqua liquida agiscono due forze opposte, i legami a idrogeno da una parte tendono ad organizzare il reticolo di tetraedri mentre il movimento caotico delle molecole ne impedisce la perfetta formazione. Quando l’acqua congela i tetraedri sono obbligati a formarsi e la struttura complessiva assume la configurazione più aperta e meno densa. A differenza della maggior parte delle altre sostanze, infatti, per le quali la forma solida presenta una densità maggiore rispetto alla forma liquida, il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida. La densità dell’acqua è infatti massima a 4 °C, temperatura alla quale l’acqua è liquida. Ciò è dovuto appunto alla natura dei legami idrogeno, che tengono le molecole dell’acqua liquida più strette di quanto non lo siano allo stato solido.

Sono note anche altre due forme solide, quella del ghiaccio vetroso e quella del solido amorfo, non cristallino, simile al vetro (ghiaccio amorfo). A pressioni estreme il ghiaccio può assumere diversi stati solidi, numerati con numeri romani. Il passaggio da un ghiaccio all’altro avviene attraverso una transizione isotermica (come per tutte le transizioni di fase). Sotto opportune condizioni, tutti questi tipi possono esistere anche a temperatura ambiente. I vari tipi di ghiaccio differiscono per la loro struttura cristallina, ordinamento e densità.

Oltre alle forme cristalline, l’acqua può esistere in stati amorfi: acqua solida amorfa, ghiaccio amorfo a bassa densità, ghiaccio amorfo ad alta densità, ghiaccio amorfo ad altissima densità e acqua vetrosa sottoraffreddata.

Potere solvente dell’acqua

Il potere solvente di una sostanza è la capacità che la stessa ha di scioglierne un’altra, per formare una soluzione. L’acqua è un ottimo solvente, avendo la capacità di spezzare i legami che tengono unite molte sostanze. Pensiamo al cloruro di sodio, cioè il sale da cucina, che si scioglie rapidamente in acqua perché le molecole polari dell’acqua attraggono gli ioni di carica opposta sino a spezzare il legame ionico del cristallo.

Un analogo fenomeno avviene nel processo di mineralizzazione, cioè quando l’acqua, passando attraverso le rocce, ne discioglie una parte arricchendosi di sali minerali.

Tensione superficiale dell’acqua

La tensione superficiale è la densità superficiale di energia di legame sull’interfaccia tra un corpo continuo e un materiale di un’altra natura, un solido, un liquido o un gas. L’acqua ha un’elevata tensione superficiale perché tra le molecole è presente una forte coesione (dovuta ai legami idrogeno), che tende a tenerle unite.

Grazie a questo fenomeno molti insetti riescono a camminare sull’acqua, visto che la loro massa non è sufficiente a rompere i legami tra le molecole d’acqua presenti superficie, e non basta il principio di Archimede per spiegare il galleggiamento di una graffetta metallica o di una piccola monetina.

Ed è sempre grazie alla coesione, che genera una forte tensione superficiale, se le goccioline d’acqua assumono una forma sferica e se un bicchiere si può riempire per qualche millimetro oltre il bordo, senza traboccare. Senza la forza di gravità, una goccia d’acqua assumerebbe una forma sferica perfetta.

Capillarità dell’acqua

La capillarità è un fenomeno dovuto all’effetto combinato di forze di adesione e coesione grazie al quale l’acqua può risalire fessure e tubi sottilissimi. Tanto più la fessura è sottile tanto maggiore sarà lo spostamento acropeto (verso l’alto), violando il principio dei vasi comunicanti. Grazie alla capillarità l’acqua può raggiungere la cima anche degli alberi più alti e un fazzoletto di carta e una spugna si inzuppano con facilità.

Con l’adesione le molecole dell’acqua stabiliscono un contatto con le molecole della parete del recipiente, grazie al legame idrogeno queste molecole riescono ad “arrampicarsi” lungo le pareti, mentre la forte coesione consente alla massa d’acqua di rimanere unita salendo. Questo fenomeno è tanto più evidente quanto più piccolo è il capillare.

La tensione superficiale e quindi anche la capillarità consentono alle piante di assorbire, attraverso le radici, l’acqua presente nel suolo. Sempre grazie alla tensione superficiale il sangue, composto in gran parte da molecole dell’acqua, riesce a scorrere, attraverso il sistema sanguigno, all’interno del nostro corpo.

Trattamento industriale e civile dell’acqua

L’acqua può subire diversi trattamenti per la rimozione di inquinanti e per la correzione di alcune caratteristiche chimico-fisiche e biologiche; la progettazione di impianti di trattamento richiede delle analisi preliminari dell’acqua grezza che possano esprimere con chiarezza tutte le sostanze in essa contenute (le cui concentrazioni sono solitamente espresse con unità di misura in ppm o ppb) e determinare le sue caratteristiche microbiologiche.

I trattamenti che vengono effettuati sull’acqua dipendono soprattutto dalla loro destinazione, ad esempio l’acqua potabile deve avere un certo contenuto di concentrazione salina, un valore di pH contenuto in un intervallo specifico, una conducibilità elettrica limite, assenza di microrganismi indicatori di inquinamento e di patogeni, mentre un tipo di acqua ad uso agricolo sarà più ricca di minerali.

I trattamenti per la potabilizzazione si applicano ad acque superficiali naturali, o provenienti da invasi artificiali, con lo scopo di ottenere acque idonee all’uso umano, che rispettino le norme di qualità stabilite in Italia dal decreto legislativo n.31/2001; questi trattamenti possono comprendere le operazioni di:

  • Sedimentazione (sfruttando la legge di Stokes)
  • Precipitazione
  • Pre-ossidazione
  • Neutralizzazione chimica
  • Trattamenti di ossido-riduzione
  • Coagulazione
  • Flocculazione
  • Filtrazione
  • Aerazione
  • Trattamento biologico a fanghi attivi
  • Filtrazione con carbone attivo
  • Purificazione ad osmosi inversa
  • Disinfezione
  • Addolcimento
  • Decarbonatazione
  • Desilicazione
  • Demineralizzazione
  • Dissalazione (o desalinizzazione)
  • Deferrizzazione e demanganizzazione
  • Trattamenti anticorrosione (ad esempio eliminazione dei gas disciolti)
  • Flottazione

Addolcimento dell’acqua

Il processo di addolcimento consiste in un processo di permutazione sodica nel quale avviene la rimozione parziale di sostanze solide disciolte in un solvente (tipicamente acqua), al fine di ridurre la cosiddetta durezza della soluzione. Può essere considerato un caso particolare di demineralizzazione.

La durezza dell’acqua è dovuta alla presenza di determinati sali: i principali ioni che la provocano sono calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+) e bicarbonato (HCO3-). Questi ioni sono la causa delle formazioni solide (calcare e conseguenti incrostazioni) che provocano ostruzioni nelle tubature e negli impianti dei sistemi che producono acqua potabile o di processo. Le unità di addolcimento rappresentano una soluzione per l’acqua dura e la rimozione delle incrostazioni.

Attraverso il processo di addolcimento, gli ioni calcio e magnesio presenti comunemente nell’acqua, vengono sostituiti con ioni sodio: grazie a questo processo l’acqua, privata del carbonato di calcio, non è più dura come in origine.

Questo processo di scambio ionico avviene grazie alla presenza nel sistema di addolcimento di resine ad alto potenziale di scambio che vengono periodicamente rigenerate con una soluzione di cloruro di sodio (sale da cucina).

Esistono vari tipi di resine che vengono utilizzate nei trattamenti delle acque, e a seconda del tipo di ioni che scambiano vengono classificate in: cationiche o anioniche.

Le resine a scambio cationico (scambio di ioni positivi), sono largamente utilizzate per l’addolcimento, esse catturano dall’acqua gli ioni positivi calcio (Ca2+) e magnesio (Mg2+) scambiandoli con lo ione sodio (Na+).

Le incrostazioni calcaree sono generate dalla precipitazione dei sali di calcio e magnesio (incrostanti), che costituiscono la durezza dell’acqua, sostituendoli con sali di sodio (non incrostanti) in modo da evitare tutte le controindicazioni dovute ai depositi calcarei.

Analogo funzionamento lo hanno le resine a scambio anionico (scambio di ioni negativi), utilizzate ad esempio per rimuovere il nitrato (NO3), che viene trattenuto dalla resina e scambiato con lo ione cloruro (Cl).

Dissalazione (o desalinizzazione) dell’acqua

Il processo di dissalazione (detto anche desalinizzazione) consiste nella separazione della frazione salina dalle acque contenenti sale, come ad esempio l’acqua di mare. L’apparecchiatura utilizzata per eseguire questo processo prende il nome di dissalatore.

Il processo di dissalazione delle acque salmastre e di mare si applica sostanzialmente per usi potabili o industriali, nelle zone aride e semiaride, e per tutte quelle isole prive di adeguato rifornimento idrico (tramite un acquedotto o fonti naturali). Per quanto riguarda invece il settore agricolo l’irrigazione con acqua dissalata non rappresenta, almeno per il momento, una soluzione economicamente sostenibile.

Processi di dissalazione

I processi di dissalazione delle acque salmastre e di mare si possono sostanzialmente dividersi in due tipologie:

  1. separazione dell’acqua dai sali (evaporazione, talvolta detta impropriamente distillazione, osmosi inversa, congelamento);
  2. separazione dei sali dall’acqua, cioè su una più o meno spinta riduzione del tenore dei sali presenti (elettrodialisi, scambio ionico).

Per quando riguarda l’impatto economico di tali processi, i costi di dissalazione per la prima tipologia dipendono prevalentemente dalla quantità di acqua trattata; mentre per la seconda tipologia di processo, i costi dipendono essenzialmente dalla salinità dell’acqua (pertanto risultano più convenienti per la dissalazione di acque salmastre piuttosto che di quelle marine).

Acqua di cristallizzazione

Con acqua di cristallizzazione si vuole indicare le molecole di acqua presenti in composti solidi cristallini (come ad esempio i sali idrati) in proporzioni stechiometriche definite. Può coordinare cationi o anioni, oppure può occupare porzioni del reticolo cristallino, di cui è parte integrante.

Riscaldando ad esempio un sale idrato oltre 110 °C, si ha la perdita dell’acqua inglobata nella struttura cristallina (acqua di idratazione o acqua di cristallizzazione), provocando modifiche del reticolo cristallino stesso o addirittura una sua completa demolizione; un esempio caratteristico è costituito dal gesso che per riscaldamento spinto perde tutta la sua acqua di cristallizzazione trasformandosi in anidrite che non è più in grado di riprendere l’acqua persa.

Bibliografia

  1. Disposizione degli atomi nella molecola dell’acqua – CC BY-SA 2.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=265022