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Cascada
Representació de la molècula d’aigua amb indicació de la mida.
Model generat per ordinador d’una molècula d’aigua.
Nom de la IUPAC
aigua, oxidar-se [1]
Noms alternatius
monòxid de dihidrogen
Característiques generals
Fórmula molecular o crua H 2 O
Massa molecular ( u ) 18.0153
Aspecte líquid incolor [2]
Número CAS 7732-18-5
Número EINECS 231-791-2
PubChem 962
DrugBank DB09145
SOMRIURE
O
Propietats fisicoquímiques
Densitat (g / cm 3 , en cs ) 0,99984 (0 ° C), [3] 0,99705 (25 ° C) [3]
Índex de refracció 1.3330
Temperatura de fusió 0,00 ° C (273,15 K)
Δ fus H 0 (kJ mol −1 ) 6 (a 0,00 ° C) [4]
Δ fus S 0 (J K −1 mol −1 ) 21,9 (a 0,00 ° C) [4]
Temperatura d'ebullició 100,00 ° C (373,15 K)
Δ eb H 0 (kJ mol −1 ) 40,7 [5]
Punt triple 273,16 K (0,01 ° C)
611,73 Pa
Punt crític 647 K (374 ° C)
2.2064 × 10 7 Pa [3]
Pressió de vapor ( Pa ) a 293,15 K. 2338,54
Sistema cristal·lí hexagonal (veure cristalls de gel )
Viscositat cinemàtica ( m 2 / s a 20 ° C) 1.1 [6] -1.01x10 -6 [7]
Viscositat dinàmica ( mPa s a 20 ° C) 1.002 × 10 -3
Propietats termoquímiques
Δ f H 0 (kJ mol −1 ) −285,8
Δ f G 0 (kJ mol −1 ) −237,1
S 0 m (J K −1 mol −1 ) 70,0
C 0 p, m (J K −1 mol −1 ) 75.3
Informació de seguretat
Frases H ---
Consells P --- [8]

L’aigua és un compost químic amb la fórmula molecular H 2 O , en què els dos àtoms d’ hidrogen estan units a l’àtom d’ oxigen amb un enllaç covalent polar. Sota normals de temperatura i de pressió condicions [9] apareix com un sistema de dues fases , que consisteix en una incolor [2] i sense sabor líquid (que es diu "aigua" en el sentit estricte) i un incolor vapor (anomenat vapor d'aigua ). Es produeix en estat sòlid (anomenat gel ) si la temperatura és igual o inferior a la temperatura de congelació . [10]

Atès que l'aigua és un excel·lent dissolvent , les aigües naturals contenen moltes altres substàncies dissoltes, i és per aquest motiu que el terme "aigua" sol dir tant el compost químic pur de fórmula H 2 O com la barreja (líquida) formada a partir del mateix, amb altres substàncies dissoltes en ella.

L’aigua a la natura és un dels components principals dels ecosistemes i és la base de totes les formes de vida conegudes, inclòs l’ ésser humà ; també es deu al mateix origen de la vida al nostre planeta i també és indispensable en l’ús civil, agrícola i industrial; l’home ha reconegut la seva importància des de temps remots, identificant-lo com un dels principals elements constitutius de l’ univers i atribuint-li un profund valor simbòlic , que es pot trobar a les principals religions .

Al planeta Terra , l’aigua cobreix el 71% de la superfície del planeta i és el principal component del cos humà .

Etimologia

El terme aigua deriva del llatí aqua, -ae , del proto-italià * akʷā , al seu torn d'una arrel indoeuropea * h₂ékʷeh₂ , 'aigua', amb connexions a la zona germànica ( proto- germànica * ahwō ) i a la llengua lusitana . El terme en grec antic : ὕδωρ, ὕδατος , hýdōr, hýdatos està relacionat amb el proto- germànic * watōr (d'una arrel indoeuropea * wódr̥ ) d'on descendeixen l' alemany Wasser i l' aigua anglesa ; de la mateixa arrel indoeuropea prové el llatí unda ( onada italiana).

Física i química de l'aigua

Els primers descobriments científics

La creença que l'aigua era un element primitiu i indivisible va durar fins a les darreres dècades del segle XVIII , quan els científics Lavoisier i Cavendish van descobrir que aquesta substància està formada realment per dos components: l' hidrogen i l' oxigen .

El 1742 , Anders Celsius va definir l’escala de temperatura que porta el seu nom, situant el punt de fusió de l’ aigua (a pressió atmosfèrica normal) a 100 graus i el punt d’ebullició a 0 graus; el 1745, però, Linné la va invertir, arribant a l’escala tal com la coneixem avui. [11]

L’electròlisi de l’aigua

La primera descomposició de l'aigua en hidrogen i oxigen (els seus components elementals) va ser realitzada el 1800 pel químic anglès William Nicholson , mitjançant el procés d' electròlisi . [12] De fet, l'aigua es dissocia parcialment en ions H + i OH - , que migren cap als dos pols de la cèl·lula electrolítica, on tenen lloc les reaccions següents:

ànode (+): 4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 i -
càtode (-): 2 H + + 2 i - → H 2

l’oxigen i l’hidrogen es produeixen en forma de bombolles de gas a la superfície dels elèctrodes, de les quals es poden recollir.

Gilbert Newton Lewis va aïllar la primera mostra d' aigua pesada pura (en què l'hidrogen és substituït pel seu isòtop deuteri ) el 1933 . [13]

A finals dels anys seixanta va sorgir una controvèrsia científica sobre l’existència d’una forma polimèrica d’aigua ( poliaigua ). Ara s’acorda que aquesta poliaigua no existeix. [14] [15] [16]

El 2007, mitjançant l'ús de superordinadors i mecànica quàntica , s'ha desenvolupat un model numèric d'aigua que a partir dels principis quàntics de molècules extrapola el comportament correctament. [17]

Les formes físiques de l’aigua

Aigua líquida
Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: gel , gel amorf i cristalls de gel .

L’aigua adopta múltiples formes a la natura. En estat sòlid es coneix com a gel , en estat gasós es coneix com a vapor d’aigua . També es coneixen altres dues formes sòlides, la del gel vidriós i la del sòlid amorf , no cristal·lí, semblant al vidre ( gel amorf ). A pressions extremes, el gel pot assumir diversos estats sòlids, numerats amb números romans. El ventall de formes sòlides d’aigua és tan ampli i variat que ni tan sols és comparable amb el de cap altre material [18] .

El gel i la neu que tractem solen tenir una estructura cristal·lina hexagonal ( gel I h ). Només una mica menys estable ( metastable ) que la forma hexagonal és la forma cúbica ( Ice I c ). El refredament del gel I h produeix una configuració diferent, la forma del gel XI , en què els protons tenen una alta mobilitat.

A diferents temperatures i pressions poden existir altres tipus de gel, que es poden identificar al diagrama de la fase de gel. Aquests inclouen: II, III, V, VI, VII, VIII, IX i X. La transició d’un gel a un altre es produeix a través d’una transició isotèrmica (com passa amb totes les transicions de fase ). En condicions adequades, tots aquests tipus poden existir fins i tot a temperatura ambient. Els diversos tipus de gel es diferencien per la seva estructura , ordenació i densitat cristal·lines .

Hi ha altres dues fases del gel que són metastables: la IV i la XII. Ice XII va ser descobert el 1996 per C. Lobban, JL Finney i WF Kuhs. [19] El 2006 es van descobrir les formes XIII i XIV. [20]

A més de les formes cristal·lines, l’aigua pot existir en estats amorfs : aigua sòlida amorfa , gel amorf de baixa densitat , gel amorf d’alta densitat , gel amorf d’ alta densitat i aigua vítria subrefreda .

També hi ha molècules d'aigua formades per isòtops d' hidrogen en lloc del tiet avi normal ( 1 1 H), que s'utilitzen principalment en el camp nuclear .

L’aigua pesada (D 2 O o 2 1 H 2 O) és aigua en què els àtoms d’hidrogen són substituïts per àtoms de deuteri , un isòtop d’ hidrogen que té un pes atòmic de 2 uma . El seu comportament químic és substancialment el mateix que el de l’aigua; troba aplicació ja que és un moderador menys efectiu de l’aigua comuna (hidrogen + oxigen) que els neutrons emesos per la fissió nuclear, però té una secció d’absorció de neutrons molt més baixa. En el camp nuclear, per tant, l’aigua comuna també es defineix com a aigua lleugera .

També hi ha una altra forma menys estable, anomenada aigua sobrecarregada (T 2 O o 3 1 H 2 O), en què hi ha àtoms de triti en lloc d’àtoms d’hidrogen, un isòtop d’hidrogen que té un pes atòmic de 3 uma. [21]

El 2016 es va descobrir un segon estat líquid d’aigua que es produeix a una temperatura entre 40 ° i 60 ° amb diferents valors de constant dielèctrica i relaxació de spin-retícula canviant el règim d’ expansió tèrmica i la velocitat de propagació del so [22] .

Canvis en l'estat de l'aigua

L’aigua és una de les poques substàncies existents (juntament amb gal·li , bismut i antimoni ) en què té lloc el procés de solidificació amb un augment del volum específic (igual a uns 0,087 L / kg , a una temperatura de 0 ° C (273,15 K ) a una pressió d’1 atm ), mentre que el seu punt d’ebullició es troba a 100 ° C (373,15 K). [23] Això implica que a mesura que disminueix la temperatura, la pressió corresponent al pas d'estat sòlid-líquid augmenta significativament: hi ha un pendent negatiu de la línia de pas sòlid-líquid al diagrama de fases pressió-temperatura. En particular, per cada centèsima de grau Celsius (0,01 ° C) de disminució de la temperatura, hi ha un augment de la pressió de fusió d’una atmosfera aproximadament. Aquesta relació es verifica fins a una pressió de 2070 atm i una temperatura de -22 ° C, més enllà de la qual es produeixen altres estats al·lotròpics .

A pressió atmosfèrica (1 atm ) l'aigua bull a una temperatura de 100 ° C. Com passa amb la resta de substàncies, durant la transformació cal proporcionar una certa quantitat de calor (anomenada calor latent ), que en el cas de l’aigua és superior a qualsevol altra substància coneguda: a condicions de 0 ° C i 1 atm aquesta calor de vaporització és de fet igual a 2501 kJ / kg . Entre 90 ° C i 250 ° C, la regla general s'aplica a la pressió de vaporització (en barres) és igual a la quarta potència de la centèsima part de la temperatura de vaporització (en graus Celsius):

Pressió de vapor de l'aigua

L’aigua superiónica

El 1999 el SISSA de Trieste i el Centre Internacional de Física Teòrica (ICTP) de Trieste “ Abdus Salam ” de Trieste van predir teòricament l’existència d’una fase hídrica anomenada gel superiónico[24] o superiónico . Al febrer de 2018, un estudi publicat a Nature Physics per investigadors del Laboratori Nacional Lawrence Livermore confirma la seva existència[24] . Després d'una certa pressió, els ions oxigen adopten la forma d' una xarxa cristal·lina , típica d'un sòlid, mentre que els ions hidrogen es troben en estat líquid[24] .

Propietats fisicoquímiques de l'aigua

El color de l’aigua

L’aigua és blava perquè quan la llum del sol , que conté tots els colors , penetra, alguns colors són absorbits per les molècules, en particular, assimilen millor els colors taronja i vermell, i quan la llum arriba als nostres ulls en té menys color taronja i vermell i ens apareix com si fos més blau que el que anomenem llum blanca. [25]
D'altra banda, pel que fa a l'aigua de mar , el motiu de la coloració és una mica diferent: el plàncton que hi viu, de fet, absorbeix una mica de llum blava i vermella mentre que la gran quantitat de matèria orgànica dissolta absorbeix gairebé llum blava exclusivament. Això fa que la llum restant tendeixi a un blau violaci més profund que el blau pàl·lid de l'aigua pura. En canvi, el color verd turquesa de les aigües dels mars del sud i de les illes del Carib es deu a la gran presència de fitoplàncton , un difusor de llum groc i verd especialment eficaç. [25]

Gel

En comparació amb altres substàncies amb molècules similars en massa o homòlegs a altres elements del mateix grup de la taula periòdica (per exemple sulfur d’hidrogen ), l’aigua en estat líquid presenta algunes anomalies:

  • un punt d’ ebullició molt alt;
  • un volum molar força baix;
  • una calor específica elevada amb un mínim de 35 ° C;
  • una viscositat que presenta un mínim a altes pressions;
  • un punt màxim al diagrama densitat-temperatura, pel qual per sota de la temperatura màxima el líquid disminueix de volum amb l’augment de la temperatura.

A més, durant el procés de congelació hi ha un augment considerable de volum. [26]

Aquestes anomalies són causades pel fet que l’ organització cristal·lina , a causa dels enllaços d’hidrogen del gel, encara existeix a l’aigua líquida, constituint un edifici macromolecular lacunar amb enllaços mòbils interns que disminueixen en nombre amb l’augment de les temperatures i que formen un conjunt d’ aglomerats polimèrics en clúster. en equilibri dinàmic i de molècules lliures o enllaçades en cadenes o anells.

A diferència de la majoria de les altres substàncies, [27] per a les quals la forma sòlida té una densitat més alta que la forma líquida, el gel és menys dens que l'aigua líquida. [28] La densitat de l'aigua és de fet màxima a 4 ° C, [29] la temperatura a la qual l'aigua és líquida. Això es deu precisament a la naturalesa dels enllaços d’hidrogen, que mantenen les molècules d’aigua líquida més estretes que a l’estat sòlid.

Les superfícies gelades dels llacs i oceans permeten el desenvolupament de la vida en el medi subjacent. Això és possible perquè el gel, amb una densitat inferior a l’aigua líquida, flota per sobre, de manera que la temperatura sota el gel serà superior a 0 ° C. En cas contrari, la baixa temperatura no permetria viure els organismes marins.

El fenomen de l'expansió de l'aigua a baixes temperatures és un avantatge per a totes les criatures que viuen en entorns d'aigua dolça a l'hivern. L’aigua, que es refreda a la superfície, augmenta de densitat i baixa cap al fons, provocant corrents convectius que refreden uniformement tota la conca. Quan la temperatura superficial cau per sota dels 4 ° C, aquest procés s'atura i, a causa de l'empenta d'Arquimedes, l'aigua més freda queda a la superfície, on, amb una nova baixada de temperatura, forma una capa de gel . Si l’aigua no tingués aquesta peculiaritat, els llacs es congelarien completament i, en conseqüència, moririen totes les formes de vida presents.

La situació a les aigües salades és diferent: la sal continguda a l’aigua, de fet, redueix tant el punt de congelació de l’aigua (uns 2 ° C, a causa del fenomen de la baixada crioscòpica ) com la temperatura a la qual l’aigua arriba a la seva densitat màxima. (fins a uns 0 ° C). Per tant, a les aigües marines els moviments convectius que porten l’aigua més freda al fons no estan bloquejats pel gradient de densitat, com passa a les aigües dolces. Per aquest motiu, les criatures que viuen al fons dels oceans àrtics s’han hagut d’adaptar, durant el seu procés evolutiu , per sobreviure a temperatures properes als 0 ° C.

En condicions normals de salinitat de l'aigua de mar, l'aigua es congela a aproximadament -1,9 ° C. El gel que es forma és substancialment lliure de sal (per tant, té una densitat gairebé igual a la del gel d’aigua dolça). Aquest gel flota a la superfície, mentre que la sal que ha estat "expulsada" augmenta la salinitat i la densitat de l'aigua circumdant, que baixa per convecció fins al fons.

Les condicions de temperatura i pressió en què les fases sòlida, líquida i gasosa d’una substància conviuen en equilibri entre elles s’anomenen punt triple . Per a l'aigua, es pren el punt triple com a referència per mesurar la temperatura, ja que s'ha establert per convenció que aquesta és a 273,16 K (i a 0,01 ° C); la pressió al punt triple de l’aigua és de 611,2 Pa , que és un valor molt baix, tenint en compte que a nivell del mar la pressió atmosfèrica és de 101.300 Pa de mitjana.

Es pot observar l’alta tensió superficial en la formació de les gotes.

L'aigua té una alta tensió superficial , [30] que es pot observar a partir de la geometria esfèrica de les gotes d'aigua i del fet que alguns objectes (com una agulla) o insectes poden surar a la superfície de l'aigua. [31] Una altra conseqüència directa de la tensió superficial és la capil·laritat . Consisteix en la possibilitat que l'aigua pugi (òbviament per a distàncies curtes) en esquerdes i canonades molt fines. Com més prima sigui l’esquerda, major serà el desplaçament acropètic (cap amunt). [32] La tensió superficial té un paper fonamental en les funcions de molts organismes vius. Un exemple és el transport d’aigua al xilema de les tiges de les plantes; la tensió superficial manté la columna d’aigua unida i les forces adhesives mantenen l’aigua adherida al xilema. Es trencarien columnes igualment altes i primes de líquids menys cohesius i menys adherents que formarien bosses d’aire o vapor, cosa que faria ineficient (o fins i tot impossible) el transport del líquid a través del xilema.

L’aigua pura ( destil·lada ) és un bon aïllant elèctric (és a dir, un mal conductor ). Però, en ser també un bon dissolvent , a la pràctica sovint conté traces de sals dissoltes que, amb els seus ions , el converteixen en un bon conductor de l’electricitat. [33]

Donades les seves bones capacitats dissolvents, l’aigua pura no es troba a la natura. [34] Per simple exposició a l'aire, l'aigua dissol el seu diòxid de carboni , formant una solució molt diluïda d' àcid carbònic que pot assolir un valor de pH de 5,6. [35] De la mateixa manera, les gotes de pluja sempre tenen una acidesa mínima. La presència d’ òxids de sofre o nitrogen a l’atmosfera, mitjançant la seva dissolució en gotes de pluja, condueix a la pluja àcida amb valors de pH inferiors a 5 (a Itàlia també hi ha hagut pluges àcides amb valors de pH al voltant de 3, 5), [ 36] els efectes del qual sobre el medi ambient són molt més greus. El pH de l’aigua de mar està entre 7,7 i 8,4. [37]

La naturalesa dipolar de l’aigua

Disposició dels àtoms a la molècula d’aigua.

Una característica important de l’aigua ve donada per la polaritat de la seva molècula , amb un moment dipolar molecular de 1.847 D. [38] La forma de la molècula d'aigua és similar a un tetraedre [39] amb l'àtom d'oxigen al centre, dos àtoms d'hidrogen en dos dels vèrtexs i dos doblets d'electrons no compartits ( parells solitaris ) en els altres dos. Aquest darrer, a causa de la repulsió electrostàtica, distorsiona lleugerament l’estructura tetraèdrica, provocant que l’angle format pels dos enllaços OH sigui 104,45 °, inferior als 109,5 ° d’un tetraedre regular. [40] Els electrons són més atrets per l'àtom d'oxigen, sent més electronegatiu que l'hidrogen, per tant, els enllaços que es formen entre els àtoms H i l'àtom O es denominen "covalents polars", ja que presenten una càrrega negativa parcial a l'oxigen. àtom ( 2 δ - ), i una càrrega positiva parcial als àtoms d’hidrogen ( δ + ).

És extremadament important que l’aigua, en ser un compost anfotèric , es descompongui, encara que d’una manera extremadament limitada, en anions hidròxid i cations hidroxoni. De fet, les mesures exactes mostren que l'aigua pura té un pH de 7,00 a 25 ° C i una pressió ambiental.

Es diu que una molècula que presenta aquest desequilibri de càrrega elèctrica és un dipol elèctric . Les càrregues fan que les molècules d’aigua s’atraguin mútuament. Aquesta atracció per l’aigua és particularment intensa (fins i tot si és molt més feble que els enllaços covalents dins de la mateixa molècula) i s’anomena enllaç d’hidrogen (o enllaç H ) i explica moltes de les propietats físiques típiques de l’aigua.

La presència de l'enllaç d'hidrogen explica, per exemple, els valors relativament alts del punt de fusió i del punt d'ebullició de l' aigua: de fet, es necessita més energia (en comparació amb substàncies menys polars) per trencar els enllaços d'hidrogen que mantenen les molècules unides. un altre. Per exemple, el sulfur d'hidrogen , H 2 S (similar en geometria però incapaç de formar enllaços d'hidrogen), és un gas a temperatura ambient, tot i tenir un pes molecular gairebé el doble que l'aigua.

Representació de l'enllaç d'hidrogen que s'estableix entre diverses molècules d'aigua. El nombre màxim de molècules d’aigua enllaçades amb enllaç d’hidrogen a cada molècula d’aigua és igual a 4. En realitat, les molècules poden estar a una distància insuficient per formar aquest enllaç: per exemple, a temperatura i pressió ambient cada molècula d'aigua és, segons Stillinger, igual a aproximadament 1,35. [41]

L'elevada capacitat calorífica específica també s'ha d'atribuir al enllaç d'hidrogen. El enllaç d’hidrogen també explica el comportament inusual de l’aigua quan es congela: a causa d’aquest enllaç, quan la temperatura baixa al punt de congelació, les molècules d’aigua s’organitzen en una estructura cristal·lina amb una simetria hexagonal típica del gel. , Que resulta ser menys dens que l’aigua líquida.

Del fet que el gel és menys dens que l’aigua líquida, es desprèn que el gel es pot fondre fins i tot després d’un augment de la pressió. Aquesta pressió resulta ser força elevada. [42] En estat sòlid, cada molècula d'aigua s'uneix amb altres quatre molècules mitjançant enllaços d'hidrogen en una configuració tetraèdrica , donant lloc a una conformació tridimensional de capes formades per anells hexagonals.

En estat líquid, la formació i el trencament continu dels enllaços d’hidrogen originen agregats fluctuants molt grans (anomenats "dominis") (de l’ordre de desenes de molècules), a causa del fet que la formació d’un enllaç d’hidrogen ( H- enllaç ) entre dues molècules indueix la formació d’una altra, provocant una mena de reacció en cadena . Cada domini té una estructura similar a la del gel; segons una investigació nord-americana, a temperatures compreses entre 0 i 100 ° C i la pressió atmosfèrica, cada molècula d'aigua està envoltada de mitjana per 4,7 molècules més [41] i la distància entre dos àtoms d'oxigen de les molècules adjacents és d'aproximadament 3 Å , fent-se així curta -interaccions de rang molt influents. En particular, cada molècula d’aigua estableix, en les condicions esmentades, uns 1,35 enllaços d’hidrogen amb molècules d’aigua veïnes. [41] L'existència d'aquests dominis dóna a l'aigua un alt grau d'estructuració, que determina moltes característiques peculiars.

La vida mitjana d’un domini és un tema molt controvertit i debatut; deixant de banda les controvèrsies més o menys recents sobre l'anomenada "memòria de l'aigua", es creu que la vida mitjana d'un domini és de l'ordre de 0,1 ns , però hi ha teories i proves experimentals segons les quals podria ser molt més temps, és a dir, uns segons o més; segons altres investigacions, però, seria molt més curt, de l’ordre de 50 fs . A més, recentment s’ha comprovat que els processos de relaxació a l’aigua tenen lloc seguint diferents escales de temps; això significa que conviuen diferents agregats moleculars, cadascun amb la seva pròpia estructura, que dóna lloc a una imatge extremadament complexa. [43] [44] [45] [46] [47]

Esfera d’hidratació al voltant d’un ió sodi

Les macromolècules biològiques i les estructures supramoleculars interactuen amb molècules d’aigua properes ( aigua d’ hidratació ), modificant algunes de les seves característiques i, al seu torn, experimenten canvis en les seves característiques. Les molècules d’aigua de la capa d’hidratació , per exemple, tenen una orientació preferent i una llibertat limitada de moviment de rotació i translació, cosa que fa que els temps de correlació passin de 10 −12 s d’aigua pura a 10 −6 ÷ 10 - 9 s del aigua de les closques d’hidratació. [48]

L'aigua forma clatrats hidratats , formats per "gàbies" de molècules d'aigua que envolten molècules o ions estranys. Més enllà de l'interès per la seva estructura, que il·lustra quina organització pot imposar l'enllaç d'hidrogen, els hidrats de clatrat sovint es prenen com a model de la manera en què l'aigua sembla organitzar-se al voltant de grups no polars, com els de les proteïnes .

Alguns compostos iònics formen clatrat d'hidrats en els quals l'anió s'incorpora al marc dels enllaços d'hidrogen. Aquest tipus de clatrats es produeixen amb freqüència amb acceptadors d'enllaços d'hidrogen molt forts, com ara F - i OH - . Les molècules d’aigua també intervenen en algunes xarxes d’enllaços d’hidrogen intracatenaris i intercatenaris, que contribueixen a l’estabilització i el plegament del col·lagen , que és una de les proteïnes més importants de la natura.

L’aigua com a dissolvent

Barreja homogènia (solució) d’aigua i sal

Químicament l’aigua és un bon dissolvent . [49] Les propietats dissolvents de l'aigua són essencials per als éssers vius, ja que permeten que es produeixin reaccions químiques complexes que constitueixen la base de la vida mateixa (per exemple, les que es produeixen a la sang o al citoplasma de la cèl·lula ).

El comportament dels dissolvents de l’aigua es determina per la polaritat de la seva molècula: quan un compost iònic o polar es dissol a l’aigua, està envoltat de molècules d’aigua, que s’insereixen entre un ió i un altre o entre una molècula i l’altra de solut ( gràcies a la seva petita mida), orientant-se de manera que presenti a cada ió (o extrem polar) del solut la part de si mateix que té la càrrega oposada; això debilita l'atracció entre ions (o entre molècules polars) i trenca l'estructura cristal·lina; ogni ione (o ogni molecola polare) si ritrova quindi solvatato (o idratato ), cioè circondato completamente da molecole d'acqua che interagiscono con esso. [49] [50]

Un esempio di soluto ionico è il comune sale da cucina ( cloruro di sodio ), un esempio di soluto molecolare polare è lo zucchero .

In generale, le sostanze ioniche polari (quali acidi , alcoli e sali ) sono abbastanza solubili in acqua, mentre non lo sono le sostanze non polari (quali grassi ed oli). Le molecole non polari non si miscelano all'acqua, perché per quest'ultima è favorita dal punto di vista energetico la formazione di legami a idrogeno al suo interno, piuttosto che la formazione di legami di Van der Waals con molecole non polari.

La natura anfotera dell'acqua

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Autoionizzazione .
La struttura tridimensionale dello ione idronio o idrossonio

L'acqua è una sostanza anfotera , ovvero capace di comportarsi sia da acido che da base .

A pH 7 (condizione di neutralità) la concentrazione di ioni idrossido OH - è uguale a quella di ioni idrogeno H + (o meglio ioni idrossonio H 3 O + ). Quando questo equilibrio viene alterato, la soluzione diventa acida (maggiore concentrazione di ioni idrogeno) o basica (maggiore concentrazione di ioni idrossido).

In presenza di un acido più forte di essa, l'acqua si comporta da base, in presenza di un acido più debole di essa, l'acqua si comporta da acido. Ad esempio, nell' equilibrio :

l'acqua si comporta come base ed un acido le dona il suo ione H + . Invece nella reazione con l' ammoniaca :

è l'acqua ad agire da acido, donando il suo ione H + a quest'ultima.

Lo ione H 3 O + , presente sempre in piccole quantità insieme alla normale molecola d'acqua, si forma in seguito alla reazione chimica di autoprotolisi dell'acqua : [51]

Questa reazione è anche nota come autoionizzazione , [52] semi-ionizzazione o autodissociazione dell'acqua, e spiega la natura anfotera dell'acqua. [53]

L'importanza biologica dell'acqua

Composizione percentuale (in massa) del corpo umano. L'acqua rappresenta il 65% circa della massa corporea. [54]

L'acqua è una componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta . Si trova in elevate percentuali nelle cellule (in particolare nel citoplasma e nei vacuoli , presenti nelle cellule vegetali e in alcuni protisti ), al cui interno viene convogliata attraverso il processo di pinocitosi . [55] Nel protoplasma di tutte le cellule, sia procarioti sia eucarioti , l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come solvente per tutte le biomolecole (come carboidrati , proteine , vitamine idrosolubili ecc.), dando loro la possibilità di reagire tra di loro nelle varie reazioni biochimiche . Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche , soprattutto quelle di idrolisi , ed è, assieme all' anidride carbonica , uno dei principali reagenti della fotosintesi clorofilliana ; è inoltre, sempre assieme alla CO 2 , il prodotto conclusivo del processo di respirazione cellulare .

Essendo il principale costituente della gran parte dei viventi, l'acqua è quindi presente anche nell' organismo umano , in percentuali variabili a seconda dell' età , del sesso e del peso. I fluidi corporei che hanno il maggiore contenuto di acqua sono il liquido cefalo-rachidiano (99%), il midollo osseo (99%) e il plasma sanguigno (85%). [56] Risulta quindi di fondamentale importanza per il trasporto dei nutrienti in tutti i distretti corporei e per l'eliminazione e l'escrezione, tramite l' urina , delle scorie prodotte nelle reazioni biochimiche. L'acqua inoltre svolge una funzione determinante nella regolazione della temperatura corporea (tramite la sudorazione ) e della concentrazione dei sali minerali; partecipa inoltre alla digestione , favorendo il transito intestinale e l' assorbimento delle sostanze nutritive. Proprio perché l'acqua deve essere presente in quantità molto elevate nell'alimentazione umana viene classificata come " macronutriente ". [57]

Nelle piante è il componente principale della linfa , che ha la funzione di trasportare i principi nutritivi in tutti i tessuti , e dei vacuoli , che regolano la pressione osmotica . Nell'organismo umano l'acqua costituisce il 65% del peso corporeo, diminuendo gradualmente all'avanzare dell'età ea seconda del sesso. [58] [59]

Totale acqua corporea come % del peso
Bambino Uomo Donna
Magro 80 65 55
Normale 70 60 50
Obeso 65 55 45

L'acqua nell'universo

Diagramma che mostra la composizione della nebulosa di Herbig-Haro HH46 , al cui interno sono state rinvenute consistenti quantità di ghiaccio d'acqua

Nelle nubi interstellari della nostra galassia , la Via Lattea , è stata riscontrata la presenza di molecole d'acqua. [60] Si presume che l'acqua sia abbondante anche in altre galassie, dato che i suoi componenti elementari (idrogeno e ossigeno) sono tra i più abbondanti elementi dell' universo .

Gran parte dell'acqua presente nell'universo potrebbe essere un prodotto secondario della fase di formazione stellare . [61] Le stelle , al termine della loro formazione, emettono un vento stellare particolarmente intenso, accompagnato dall'emissione di un grande flusso di gas e polveri; quando questo flusso impatta contro il gas residuo della nube molecolare , si generano delle onde d'urto che comprimono e riscaldano i gas. L'acqua riscontrata all'interno delle nebulose in cui è presente un'attività di formazione stellare si è originata rapidamente a partire dal gas compresso riscaldato. [62]

Un "sottoprodotto" della fase di formazione stellare è la formazione di sistemi planetari , anche simili al sistema solare . [63] In simili sistemi sarebbe possibile rintracciare acqua su corpi celesti non molto caldi, quali comete , pianeti e satelliti . Nel nostro sistema solare, acqua allo stato liquido è stata rinvenuta (oltre che sulla Terra) sulla Luna . [64] Concreta è la possibilità che acqua liquida sia presente anche al di sotto della superficie della luna di Saturno Encelado e della luna di Giove Europa .

Sotto forma di ghiaccio, è stata trovata su:

È probabile che tracce di ghiaccio d'acqua si trovino sulla superficie lunare, sul pianeta nano Cerere e sul satellite di Saturno Teti . Ghiaccio sarebbe contenuto anche nell'interno di Urano e Nettuno e sul planetoide Plutone , oltre che nelle comete.

Distese ghiacciate sul satellite Europa

Allo stato gassoso (vapore acqueo) è stata trovata su:

La presenza dell'acqua nell' universo viene considerata dall' esobiologia come un fattore chiave per lo sviluppo della vita in pianeti differenti dal nostro . Alla presenza dell'acqua si richiamano infatti molte teorie sull' origine della vita .

L'acqua e la zona abitabile

La presenza di acqua liquida (e in misura minore nelle forme gassosa e solida) sulla Terra è una condizione essenziale per lo sviluppo e il sostentamento della vita come la conosciamo. La Terra presenta tali condizioni favorevoli poiché si trova in quella che gli astronomi definiscono zona abitabile del sistema solare , ovvero una stretta fascia orbitale in cui l' irraggiamento da parte del Sole è tale da mantenere l'acqua allo stato liquido: infatti, se solo il nostro pianeta fosse stato più lontano,o più vicino alla nostra stella, anche solo del 5% (otto milioni di chilometri), le condizioni in grado di mantenere simultaneamente i tre stati fisici dell'acqua avrebbero avuto minori possibilità di verificarsi. [68]

Definire la nozione di abitabilità planetaria comincia dallo studio delle stelle : infatti, l'abitabilità di un pianeta dipende in buona parte dalle caratteristiche del sistema planetario, e dunque della stella, che lo ospita. [69] Si stima attualmente che il dominio spettrale appropriato per le stelle con pianeti abitabili vada dall'inizio della classe F o G fino a metà della classe spettrale K ; si tratta di stelle non troppo calde né troppo fredde, che stanno nella sequenza principale sufficientemente a lungo perché la vita abbia possibilità di comparire ed evolvere sino anche a forme complesse. [69] Questo tipo di stelle costituisce probabilmente dal 5 al 10% delle stelle della nostra galassia.

Poco favorevoli ad ospitare la vita sembrano essere i sistemi planetari attorno alle nane rosse , ovvero le stelle tra la classe K e la classe M. Esse, pur avendo periodi di vita estremamente lunghi (teoricamente, anche centinaia di miliardi di anni o più), [70] [71] possiedono delle luminosità così basse che, perché le condizioni di insolazione della superficie del pianeta siano favorevoli alla vita, esso dovrebbe orbitare ad una distanza tale che le forze di marea lo vincolerebbero in un' orbita sincrona ; inoltre, alcune nane rosse manifestano dei violenti episodi di variabilità . Tuttavia, la questione concernente l'effettiva abitabilità dei sistemi planetari delle nane rosse resta aperta e riveste grandissima importanza, in quanto la maggioranza delle stelle (circa il 65 %) della Galassia fanno parte di questa categoria. [72]

La Terra presenta le condizioni geologiche ed astronomiche favorevoli al mantenimento di acqua liquida in superficie.

Perché possa ospitare condizioni favorevoli alla presenza di acqua liquida, un pianeta deve possedere una gravità superficiale in grado di trattenere un cospicuo involucro atmosferico ; essa non deve essere troppo grande (in quanto potrebbe mantenere allo stato solido l'acqua anche ad elevate temperature), ma neanche troppo piccola (in quanto tratterrebbe solamente una tenue atmosfera, causando eccessive escursioni termiche e favorendo l'accumulo di acqua solamente nelle regioni polari ). La presenza poi di vapore acqueo e diossido di carbonio nell'atmosfera causa un effetto serra che consente di mantenere stabile la temperatura superficiale. [73]

È stato suggerito che le stesse forme di vita [74] possano contribuire a mantenere le condizioni favorevoli alla propria esistenza. La temperatura superficiale sulla Terra è stata relativamente costante nel susseguirsi delle ere geologiche , nonostante le variazioni, anche forti, dell' insolazione media superficiale, e questo indicherebbe che una serie di processi dinamici regolerebbero la temperatura del pianeta tramite una combinazione di gas serra e dell' albedo superficiale o atmosferico. Tale teoria prende il nome di Ipotesi Gaia . [75]

Diverse sono le teorie in merito all' origine dell'acqua sulla Terra . Le due ipotesi più accreditate ritengono che l'acqua o sia giunta sulla Terra a seguito degli impatti con le comete e asteroidi, molto frequenti agli albori del sistema solare , oppure a seguito della grande attività vulcanica della Terra primordiale, che avrebbe rilasciato nell'atmosfera grandi quantità di vapore acqueo che poi sarebbe precipitato al suolo sotto forma di fenomeni idrometeorici . [76] [77]

L'acqua sulla Terra

Caratterizzazione chimico-fisica delle acque naturali

Campioni per l'analisi della torbidità dell'acqua
Ingrandimento al microscopio di minerali precipitati da acqua portata all'ebollizione.

L'acqua in natura non è mai pura , bensì contiene al suo interno molte sostanze disciolte (grazie alla sua capacità di solvente), e particelle in sospensione, la maggior parte delle quali microscopiche; le sostanze contenute sostanzialmente si suddividono in base alla loro dimensione: [78]

argilla , silice , calcare , idrossido ferrico , alghe , grassi , microrganismi , detriti vegetali
silice colloidale , acidi umici

Grazie alle tecniche della chimica analitica è possibile individuare le sostanze presenti nell'acqua. [79] La caratterizzazione chimico-fisica di un'acqua naturale consiste generalmente nella seguente procedura: [80]

  1. prelevamento (in genere si prelevano 2 campioni rappresentativi); [81]
  2. osservazione: sensazioni organolettiche primarie ;
  3. misura del pH ; [82]
  4. calcolo della torbidità: metodo fotometrico ; [83] [84]
  5. calcolo del residuo fisso : misurazione del peso a diverse temperature; [85] [86] [87]
  6. determinazione della conducibilità elettrica ; [87]
  7. determinazione anioni e cationi (tra i quali ioni Ca 2+ , Mg 2+ e HCO 3 - ) [88] e calcolo della durezza : metodi complessometrici [89] [90] e/o altro; [91]
  8. determinazione del TOC : concentrazione del carbonio organico totale. [92]
  9. determinazione dei composti azotati : concentrazione di ammoniaca , nitriti , nitrati .

Caratterizzazione microbiologica delle acque naturali

Coltura di coliformi totali derivante da un'acqua contaminata dal punto di vista microbiologico

Tutte le acque naturali contengono un certo numero di microrganismi, sia autotrofi sia eterotrofi , rappresentati da batteri , alghe , funghi e protozoi , che costituiscono la microflora autoctona delle acque, dove svolgono una funzione fondamentale in tutti i cicli biogeochimici e sono i principali responsabili dei fenomeni di autodepurazione. Anche le acque sotterranee ospitano una microflora specifica, rappresentata soprattutto da organismi oligotrofi , a causa della bassa concentrazione di nutrienti.

L' inquinamento di origine antropica , soprattutto quello derivante dallo scarico nelle acque naturali di reflui organici di origine civile, può introdurre nei corpi idrici microrganismi non tipici dell'ecosistema acquatico, che costituiscono una microflora d'inquinamento. Tra questi vi possono essere anche batteri patogeni dei generi Salmonella , Shigella , Vibrio , Clostridium , Pseudomonas , Campylobacter , Mycobacterium , Legionella, ecc, oltre a protozoi , elminti e virus di origine enterica. La presenza di questi patogeni può essere pericolosa soprattutto per quelle acque che sono utilizzate dall'uomo per scopi potabili o ricreativi. [93]

L'analisi microbiologica di un'acqua, tuttavia, più che alla ricerca dei patogeni, tende a rilevare microrganismi che sono definiti indicatori d'inquinamento fecale , che albergano nell'intestino umano e di animali e vengono quindi eliminati con le feci. Questi indicatori hanno la caratteristica di avere concentrazioni, nei reflui organici, notevolmente superiori a quelle di eventuali patogeni e, inoltre, richiedono tecniche di rilevamento molto più semplici, per cui si possono facilmente inserire nei protocolli analitici di routine per la caratterizzazione microbiologica delle acque. [94]

I principali organismi indicatori ricercati nelle acque sono:

Nelle acque destinate al consumo umano, si esegue anche il conteggio delle colonie a 22 °C.

Nelle acque potabili i microrganismi indicatori di inquinamento fecale (Escherichia coli e enterococchi) devono essere costantemente assenti e la carica microbica totale deve essere contenuta e costante. La presenza nell'acqua di uno o più di questi indicatori rappresenta un primo segnale di allarme per una probabile contaminazione fecale e può indirizzare verso la ricerca di eventuali patogeni.

Classificazione delle acque naturali

A seconda della loro provenienza, le acque naturali si classificano in: [95]

L'acqua compie un ciclo continuo (il cosiddetto ciclo dell'acqua o ciclo idrologico), consistente nel continuo scambio di acqua nell' idrosfera tra l' atmosfera , il suolo , le acque di superficie, le acque profonde e gli esseri viventi. Grazie all' evaporazione delle acque superficiali per effetto dell' irraggiamento solare ed alla traspirazione delle piante , si formano le nubi negli strati più freddi dell' atmosfera . Queste vengono trasportate dai venti ed al variare di temperatura e/o pressione, ritornano al suolo sotto forma di acque meteoriche, arricchendo ulteriormente le acque superficiali ed in parte ( filtrando nel terreno) quelle sotterranee.

Poiché moltissime sostanze hanno una certa solubilità in acqua, in natura praticamente non esistono acque pure.

Le acque meteoriche contengono gas normalmente presenti nell'atmosfera (principalmente N 2 , O 2 e CO 2 ), quelli localmente presenti per via di attività industriali o di centri abitati ( SO 2 , SO 3 , ossidi di azoto , CO ) e quelli che provengono dalla decomposizione di sostanze organiche naturali ( H 2 S , NH 3 ). L'acqua meteorica può reagire con tali sostanze. Un esempio è dato dal fenomeno della pioggia acida :

L'acqua è associata alla formazione delle stalattiti

Le acque sotterranee , alimentate dall'infiltrazione delle acque meteoriche, da cui il terreno filtra le sostanze in sospensione , sono acque minerali . A volte le acque sotterranee fuoriescono spontaneamente diventando acque sorgive (notevolmente pregiate per l'uso potabile per la mancanza di organismi patogeni, ma spesso la qualità viene minacciata da erbicidi e pesticidi , che sono estremamente dannosi per la salute).

Le acque sotterranee, ossidando le sostanze organiche presenti nel suolo, si arricchiscono di anidride carbonica, facilitando la dissoluzione di rocce calcaree secondo la reazione :

CaCO 3 [insolubile] + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2 [solubile]
MgCO 3 [insolubile] + CO 2 + H 2 O Mg(HCO 3 ) 2 [solubile]

Se la concentrazione del diossido di carbonio è elevata, la quantità di roccia dissolta è elevata e si possono formare delle grotte ; tale fenomeno in Italia è chiamato carsismo (dalla regione del Carso , dove questo fenomeno è frequente). La reazione chimica anzidetta può avvenire in entrambe le direzioni (da sinistra verso destra o da destra verso sinistra): dalla reazione inversa alla precedente, con l'eliminazione dell'anidride carbonica, si ha quindi la formazione di stalattiti e stalagmiti .

Le acque superficiali hanno composizione estremamente variabile a seconda delle condizioni climatiche ed ambientali. [96] Si possono classificare in acque dolci (3%, per circa i 34 allo stato liquido) e salate. Il mar Mediterraneo contiene circa il 3,5% di sali (77,7% cloruro di sodio , 11% cloruro di magnesio ed il restante diviso tra solfati di magnesio , calcio , potassio , carbonato di calcio e bromuro di magnesio ).

Risorse idriche terrestri

Vasca naturale fiume Cornia, Sasso Pisano
Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Idrogeologia .
Cascata d'acqua
La presenza dell'acqua sulla Terra è essenziale per lo sviluppo della vita.

Il volume di acqua presente sulla Terra è stimato in 1 360 000 000 km 3 , all'incirca un millesimo del volume complessivo del pianeta; di questi: [97]

L'acqua dolce rappresenta solo il 2,5% del volume totale presente sulla Terra [99] e per più dei 23 si trova in pochi ghiacciai, in particolare nell' Antartide e in Groenlandia , i quali sono quindi la principale riserva di acqua dolce nel nostro pianeta. [100]

La fusione dei ghiacciai a causa dell' effetto serra e dell'aumento delle temperature ha un forte impatto ambientale, sia per l'innalzamento del livello dei mari ma anche per la scomparsa di questa riserva. Durante la fusione dei ghiacci, infatti, l'acqua dolce si mescola a quella salata del mare, divenendo inutilizzabile dall' uomo .

Un ulteriore 30% di acqua dolce si trova in riserve sotterranee e solo meno dell'1% dell'acqua dolce si trova in laghi, fiumi o bacini ed è quindi facilmente accessibile. [101] In uno studio pubblicato nel 1996 dalla rivista Science [102] si stimava che:

  • il ciclo dell'acqua genera un totale di acqua dolce rinnovabile pari a circa 110 300 km 3 /anno ;
  • circa 69 600 km 3 /anno delle precipitazioni evapora a sua volta (ma consente la vita di forme importanti di vegetazione, quali le foreste, non irrigate dall'uomo);
  • rimangono circa 40 700 km 3 /anno , che ritornano nei mari e negli oceani; di tale acqua:
    • 7 774 km 3 /anno sono in zone di difficile accesso e, in pratica, non utilizzate (circa il 95% del Rio delle Amazzoni , metà del Congo , buona parte dei fiumi nelle terre più settentrionali);
    • 29 600 km 3 /anno finiscono in mare senza essere utilizzati mediante dighe;
    • 12 500 km 3 /anno possono essere utilizzati dall'uomo; di questi:
      • 4 430 km 3 /anno vengono direttamente utilizzati nell' agricoltura (2880 km 3 /anno), nell' industria (975 km 3 /anno) e nelle città (300 km 3 /anno); il dato comprende, peraltro, anche la perdita di riserve per evaporazione (275);
      • 2 350 km 3 /anno vengono utilizzati "così come sono", ad esempio per navigazione, pesca e parchi;
  • la costruzione di dighe può aumentare di circa il 10% la disponibilità di acqua dolce utilizzabile dall'uomo nel 2025 , ma si prevede che per quel tempo la popolazione potrebbe aumentare di circa il 45%;
  • l'aumento stimato dell'acqua disponibile può inoltre risultare ottimistico, a causa del crescente inquinamento e del riscaldamento globale .

L'acqua in meteorologia

L'acqua è anche un elemento fondamentale di controllo della meteorologia e del clima terrestre . Il vapore acqueo presente nell'atmosfera può, sotto determinate circostanze, subire dei processi di accrescimento (coalescenza) portando alla formazione di nuvole , e, raggiungendo la saturazione, alla pioggia o ad altre forme di precipitazioni atmosferiche . Grazie a questi eventi l'acqua può ridistribuirsi sul territorio, venendo anche accumulata nei ghiacciai polari o in quelli presenti ad elevate altitudini. L'abbondanza o meno di precipitazioni acquose nelle varie aree geografiche ne stabilisce il clima, da estremi di aridità fino alle foreste tropicali , e di conseguenza la biodiversità e le risorse.

L'acqua e l'uomo

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Diritto all'acqua e Politica dell'acqua .

Essendo l'acqua un bene irrinunciabile per la vita, la proprietà e la gestione dell'acqua, delle infrastrutture e dei servizi idrici è oggetto di questioni di diritto e di politica.

L'acqua nella storia della civiltà e nelle religioni

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Acqua (elemento) .
Rituale dell'acqua nella cultura indiana

L'acqua ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo delle prime civiltà antiche , che erano situate lungo i grandi fiumi dell' Oriente : il Nilo per la civiltà egizia , [103] il Tigri e l' Eufrate per le civiltà mesopotamiche ( Sumeri , [104] Babilonesi e Assiri ), lo Huang He (Fiume Giallo) per la Cina , l' Indo e il Gange per l' India .

I grandi bacini fluviali costituivano un'opportunità per la maggior fertilità del suolo e per la facilità dei trasporti , ma determinavano un' organizzazione sociale più complessa necessaria per gestire i conflitti per le risorse e per affrontare la costruzione e manutenzione di imponenti sistemi di irrigazione e di protezione dalle alluvioni .

Minore, ma tutt'altro che trascurabile, fu anche l'importanza dei mari interni, soprattutto il mar Mediterraneo , che facilitavano i commerci ei contatti culturali fra popoli lontani, con la formazione di civiltà prevalentemente dedicate al commercio (anzitutto i Fenici ). [105]

L'importanza dell'acqua è riconosciuta nelle religioni e nei sistemi filosofici sin dai tempi antichi . [106] Molte religioni venerano dei legati all'acqua oi corsi d'acqua stessi (ad esempio, il Gange è una dea per l' induismo ). [107] Ancora, semidivinità particolari, chiamate Ninfe , sono posti nella mitologia greca a guardia di particolari fonti d'acqua. [108] L'acqua, poi, fu considerata un elemento primigenio presso molti popoli, anche molto lontani fra loro; ad esempio in Cina venne identificata con il caos, da cui ha avuto origine l'universo, mentre nella Genesi compare già nel secondo versetto, prima della luce e delle terre emerse. Anche il filosofo greco Talete associò l'acqua all' origine di tutte le cose e asserì che la sua scorrevolezza è in grado di spiegare anche i mutamenti delle cose stesse. [109] Anche in Polinesia l'acqua venne considerata la materia prima fondamentale.

Bassorilievo centrale del Trono Ludovisi ( Roma , Palazzo Altemps ), raffigurante Afrodite che viene sollevata dalle acque

Con lo sviluppo dei primi sistemi filosofici, l'acqua venne affiancata da pochi altri elementi primigenii senza perdere la sua importanza. In tutte le civiltà antiche era molto diffusa la convinzione che la molteplicità della natura potesse essere ricondotta alla combinazione di pochissimi elementi costitutivi: l'acqua, appunto, il fuoco, la terra e l'aria (o il legno) ed eventualmente una quinta essenza . Così ad esempio in oriente il taoismo cinese include l'acqua fra i suoi cinque elementi con terra, fuoco, legno e metallo. [110] In Occidente anche Empedocle ( 492 aC circa – 430 aC circa) annoverò l'acqua fra i quattro elementi fondamentali , ai quali Platone nel Timeo aggiunse l' etere . Lo stesso Aristotele ( 384 aC - 322 aC ) sosteneva che la materia fosse formata dall'interazione dei quattro elementi citati da Empedocle.

L'albero della vita nella Qabbalah , in cui è inclusa la Sefirah Chessed , associata all'acqua.

L'indispensabilità dell'acqua per il fiorire della vita colpì molte civiltà. Ad esempio, nella lingua sumera "a" significa sia "acqua" sia "generazione". Nella maggior parte delle religioni , quindi, l'acqua è diventata un simbolo di rinnovamento e perciò di benedizione divina. [111] Essa compare logicamente nei riti di " purificazione " e di rinascita di molti culti , ad esempio nei riti di immersione del battesimo cristiano e nelle abluzioni dell' ebraismo e dell' islam . Anche nello scintoismo l'acqua è usata nei rituali di purificazione di persone o luoghi. [112]

La tradizione sapienzale mistica ebraica della Cabala ebraica individua nell'acqua il simbolo della Sefirah Chessed indicante la qualità divina della Misericordia , della gentilezza e della grandezza; molti i riferimenti della Torah all'acqua, anche suo simbolo. Secondo l'esegesi ebraica lo stesso termine Ebreo , in Ebraico Yivrì , significa colui che viene da oltre il fiume ed è presente nella Bibbia ebraica usato per la prima volta riguardo ad Abramo . Il termine ebraico che traduce la parola acqua , Maim , se associato al termine Esh , fuoco, forma la parola Shamaim che significa Cielo : si ritiene infatti che i Cieli presentino l'unione di acqua e fuoco.

Mircea Eliade ha studiato analiticamente i miti acquatici nelle varie religioni: "Le acque simboleggiano la totalità delle virtualità". Eliade ha considerato: le Acque ei Germi; le cosmogonie acquatiche (in India , nell' Enûma Eliš della mitologia babilonese ); le ilogenie (origine del genere umano o di una razza dalle acque); l' Acqua della Vita (l'acqua ringiovanisce e dà la vita eterna); il simbolismo dell'immersione; il battesimo ; la sete del morto (l'evangelica Parabola di Lazzaro e il ricco Epulone ; presso i Greci ; in Mesopotamia ; nell'antico Egitto ); le fonti miracolose ed oracolari (già dal Neolitico , poi ad esempio la delfica Pizia ); le epifanie acquatiche e le divinità delle acque; le ninfe ; Poseidone ed Ægir ; gli animali ed emblemi acquatici (dragoni, delfini, serpenti, conchiglie, pesci, ecc., che regolano la fecondità del mondo e hanno la forza sacra dell'abisso); il simbolismo del diluvio . [113]

L'attribuzione all'acqua di caratteristiche negative è molto più rara e recente. Nel XVI secolo , durante l'epidemia della peste, si pensò che l'acqua favorisse il contagio , "aprendo" i pori della pelle attraverso cui si sarebbero infiltrati i presunti agenti patogeni, chiamati seminaria , per cui si riteneva che il lavaggio del corpo indebolisse l'organismo, ed era pertanto sconsigliato. [114]

Usi dell'acqua

Acqua potabile

L'acqua riveste un ruolo centrale in una moltitudine di campi. Sostanzialmente si possono suddividere gli usi dell'acqua in:

Sebbene l'acqua ricopra il 70.8% della superficie terrestre, la maggior parte di questa non è utilizzabile direttamente, in quanto necessita di particolari trattamenti, che sono diversificati a seconda dell'utilizzo a cui l'acqua è destinata.

Acqua leggera e acqua pesante

Nell'ingegneria nucleare l'acqua comune viene detta acqua leggera quando viene impiegata come refrigerante/moderatore del nocciolo di un LWR , sia in condizioni sottoraffreddate (reattori PWR ) sia in condizioni di ebollizione (reattori BWR ). L'origine di questo termine deriva dalla contrapposizione con il termine acqua pesante , che identifica una sostanza chimicamente simile all'acqua ma in cui l' isotopo più comune dell'idrogeno di peso 1 è sostituito con l'isotopo deuterio di peso 2; l'acqua pesante è impiegata come moderatore/refrigerante nei reattori CANDU .

Trattamenti delle acque

Vasca di depurazione biologica delle acque reflue

L'acqua può subire diversi trattamenti per la rimozione di inquinanti e per la correzione di alcune caratteristiche chimico-fisiche ; 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 .

Il trattamento delle acque reflue prevede una serie di operazioni di tipo chimico-fisico e biologico, suddivise in trattamento primario , [116] trattamento secondario e trattamento terziario , oltre ad una serie di operazioni specifiche per il trattamento dei fanghi . [117] [118] I reflui depurati sono generalmente riversati in acque superficiali e in Italia devono rispettare i valori limiti di emissione stabiliti dal decreto legislativo n.152/2006, [119] in relazione agli obiettivi di qualità dei corpi idrici riceventi. Lo scarico di un depuratore , infatti, non deve contenere sostanze inquinanti in concentrazioni tali da interferire con la naturale capacità autodepurativa del corpo idrico [120] né compromettere la vitalità e la biodiversità delle comunità biotiche degli ecosistemi acquatici. I reflui depurati, dopo aver subito un idoneo trattamento terziario, comprensivo di filtrazione su sabbia , adsorbimento su carboni attivi , disinfezione con raggi ultravioletti , biossido di cloro , o altri ossidanti , possono essere riutilizzati soprattutto per un uso irriguo o industriale .

Il trattamento per le acque marine consiste principalmente nell'operazione di dissalazione . [121]

Impianto di potabilizzazione delle acque

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; [122] questi trattamenti comprendono le operazioni di: [123]

Naturalmente non tutte le operazioni elencate sono applicate contemporaneamente, ma queste potranno essere assemblate in schemi diversi, secondo il grado d' inquinamento dell'acqua grezza. Ad esempio, un'acqua poco inquinata potrà subire un trattamento più semplice, consistente in una filtrazione su sabbia seguita da disinfezione. Un'acqua dolce superficiale mediamente inquinata, invece, subirà un trattamento più spinto che, secondo uno schema classico, potrà seguire la successione delle seguenti operazioni: sedimentazione , preossidazione con biossido di cloro, ipoclorito di sodio o altri ossidanti, coagulazione-flocculazione-sedimentazione, filtrazione su sabbia, adsorbimento su carboni attivi e disinfezione finale.

L'acqua nell'industria

Una diga di una centrale idroelettrica

L'acqua è solo seconda come capacità termica molare specifica rispetto a qualsiasi sostanza nota, subito dopo l'ammoniaca. Per questa sua caratteristica, viene molto usata come mezzo di trasporto ed accumulo del calore. L'acqua è usata in numerosi processi ed apparecchiature industriali , quali ad esempio il motore a vapore , i generatori di vapore , gli scambiatori di calore ed i radiatori , nonché nei processi dell' industria chimica . Infatti, grazie alle sue proprietà chimiche, l'acqua costituisce l' ambiente di reazione e dissoluzione di molte sostanze, e, per le sue caratteristiche termiche, è un ottimo fluido trasportatore di calore. Inoltre l'acqua viene impiegata per la produzione di energia nelle centrali idroelettriche . Il vapore acqueo è utilizzato per alcuni processi nell'industria chimica. Un esempio è la produzione di acido acrilico [124] [125] . Il possibile effetto dell'acqua in queste reazioni include l'interazione fisico-chimica dell'acqua con il catalizzatore e la reazione chimica dell'acqua con gli intermedi di reazione.

Il fabbisogno d'acqua dell'industria viene soddisfatto con prelievi di acque di origine superficiale (dal ridotto contenuto salino ed un basso tenore in ossigeno a causa dell'inquinamento), profonda (maggiori contenuti di anidride carbonica), o molto più raramente di origine atmosferica (in genere corrosive a causa dei gas disciolti); solo in particolari casi si ricorre all'acqua di mare.

Si effettuano perciò trattamenti di natura meccanica, fisica o chimica, in relazione allo stato ed alle dimensioni dei contaminanti, per rendere l'acqua utilizzabile nei processi industriali [126] .

I trattamenti per le acque industriali sono molteplici, e comprendono le operazioni di: [127]

Impianto di depurazione delle acque

Una forma di inquinamento è rappresentata dallo scarico nell'ambiente di acque residue di processi industriali non opportunamente trattate ( inquinamento chimico ) o di acque di raffreddamento ( inquinamento termico ). [137]

Immagini 3D della molecola

Acqua anaglifo.png
Anaglifo della molecola dell'acqua. Per una corretta visualizzazione, indossare gli occhialini con lenti blu e rosse.
Acqua cross.png
Modello 3D Cross-Eyed della molecola dell'acqua. Per una corretta visualizzazione, indossare gli occhiali adatti o incrociare gli occhi fino a vedere tre figure e guardare quella centrale

Note

  1. ^ Il nome sistematico IUPAC dell'acqua dovrebbe essere monossido di diidrogeno , o anche idrossido di idrogeno o acido ossidrilico , se si vuole enfatizzare il comportamento basico o acido. Tali nomi però non sono mai entrati in uso, se non in parodie del linguaggio dei chimici o in scherzi; si veda ad esempio la beffa del monossido di diidrogeno . La stessa IUPAC raccomanda l'uso dei nomi water , "acqua", e oxidane ( GJ et al. Leigh, Principles of chemical nomenclature: a guide to IUPAC recommendations ( PDF ), Blackwell Science Ltd, UK, 1998, p. 34, ISBN 0-86542-685-6 . ).
  2. ^ a b Nel caso di grandi masse d'acqua, quali ad esempio laghi e mari , l'acqua assume colore blu per la lunghezza d'onda più ampia dei raggi luminosi che filtrano a grandi profondità (analogamente a come avviene nell' atmosfera all' alba o al tramonto quando l' umidità filtra invece raggi luminosi di più bassa lunghezza d'onda).
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  9. ^ Condizioni normali (o cn ) significa le condizioni standard di temperatura e pressione rispettivamente di 20 °C e 1 atm .
  10. ^ In generale si parla di "temperatura di congelamento" e non di "0 °C ". Infatti il valore della temperatura di congelamento dipende dalla pressione, ed è pari a 0 °C solo a pressione atmosferica .
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Bibliografia

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