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Introduzione

Acqua Composto chimico di formula H₂O.

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Proprietà chimico-fisiche

L'acqua pura è un liquido inodore e insapore, che presenta una debole colorazione blu osservabile solo nelle acque profonde. A pressione atmosferica, ha punto di fusione 0 °C e punto di ebollizione 100 °C; raggiunge la massima densità, pari a 1 g/cm³, alla temperatura di 4 °C e solidifica aumentando di volume. Come altri liquidi, può esistere in condizione di sopraffusione, cioè può trovarsi allo stato liquido anche a una temperatura minore del punto di fusione, e può essere raffreddata fino a -25 °C senza congelare. L'acqua sopraffusa, tuttavia, è fortemente instabile dal punto di vista fisico: congela istantaneamente se viene agitata, se la temperatura viene ulteriormente ridotta oppure se viene aggiunto un cristallo di ghiaccio o una particella di una sostanza insolubile, ad esempio polvere, che dia inizio al processo di cristallizzazione. Le proprietà fisiche dell'acqua vengono spesso sfruttate per tarare strumenti di misura della temperatura, del volume e della massa. Nel Sistema Internazionale il punto triplo dell'acqua viene utilizzato nella definizione dell'unità di misura della temperatura assoluta, il kelvin.

Dal punto di vista chimico, l'acqua è uno dei solventi più comuni; favorisce la ionizzazione dei sali e delle molecole in soluzione; reagisce con alcuni sali trasformandoli nelle rispettive forme idrate, con gli ossidi formando acidi e idrossidi, e partecipa come catalizzatore in molte reazioni chimiche.

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Stati di aggregazione

L'acqua è l'unica sostanza che si trova in natura nei tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. Allo stato solido è presente sotto forma di ghiaccio, nella neve, nella grandine, nella brina e nelle nubi; allo stato liquido si trova sotto forma di pioggia e rugiada, ma soprattutto ricopre i tre quarti della superficie terrestre costituendo oceani, mari, laghi e fiumi; allo stato gassoso, infine, è presente come nebbia e vapore ed è il principale costituente delle nuvole. La quantità di vapore presente nell'atmosfera viene espressa per mezzo del tasso di umidità relativa, calcolato come il rapporto tra la quantità di vapore acqueo presente a una determinata temperatura e il valore massimo possibile nelle stesse condizioni termiche.

Per effetto della gravità, l'acqua filtra attraverso il terreno e le rocce nel sottosuolo, dove va a costituire la falda che alimenta i pozzi e le sorgenti dei corsi d'acqua.

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L'acqua e la vita

L'acqua costituisce una frazione compresa tra il 50 e il 90% del peso corporeo degli organismi viventi, potendo raggiungere in alcuni invertebrati marini addirittura il 95% del peso totale. Il protoplasma cellulare è una soluzione colloidale macromolecolare in cui l'acqua rappresenta l'elemento disperdente; grassi, carboidrati, proteine, sali e altre sostanze chimiche vengono disciolte e trasportate in soluzione acquosa, e ciò permette le numerose reazioni chimiche indispensabili per i cicli fisiologici. Il sangue degli organismi animali e la linfa delle piante sono costituiti prevalentemente da acqua, che ha la funzione di trasportare le sostanze nutritive e di rimuovere i prodotti di rifiuto. L'acqua svolge inoltre un ruolo fondamentale nel metabolismo delle cellule, prendendo parte a diverse reazioni di idrolisi.

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Il ciclo naturale dell'acqua

L'acqua ha sul nostro pianeta un ciclo costante, che ha inizio con l'evaporazione dai suoli e dalla vegetazione, dalla superficie degli oceani, dei laghi e in generale di tutti i corpi idrici presenti sulla terraferma. L'umidità atmosferica prodotta dall'evaporazione condensa in nubi, che successivamente restituiscono l'acqua alla superficie terrestre sotto forma di precipitazioni: pioggia, neve e grandine. Le precipitazioni ripristinano continuamente l'umidità del suolo e rialimentano le falde acquifere sotterranee, ma soprattutto, attraverso il deflusso superficiale di ruscelli, torrenti e fiumi, restituiscono l'acqua al mare, chiudendo così il ciclo. La disciplina che studia la distribuzione dell'acqua sulla superficie terrestre in tutte le fasi del ciclo è l’idrologia.

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Principali soluti

Poiché l'acqua ha un elevato potere solvente, raramente può essere trovata in natura allo stato puro. La pioggia e la neve, ad esempio, assorbono dall'atmosfera anidride carbonica e altri gas, nonché tracce di sostanze organiche e inorganiche.

L'acqua discioglie le sostanze minerali presenti nelle rocce e nel suolo, arricchendosi di composti chimici quali solfati, cloruri e carbonati di sodio, potassio, calcio e magnesio. L'acqua di superficie spesso contiene sostanze inquinanti di origine industriale, agricola e domestica. Nei pozzi poco profondi sono presenti quantità variabili di composti azotati e clorurati di derivazione umana e animale; mentre i pozzi più profondi sono ricchi principalmente di sali minerali. Nell'acqua potabile sono normalmente presenti quantità rilevanti di fluoruri.

Nell'acqua marina, oltre al cloruro di sodio, sono contenuti numerosi altri sali, che derivano dalla continua azione di dilavamento che le acque dei fiumi operano sugli strati superficiali del terreno. L'apporto d'acqua dolce, nei mari e negli oceani, viene equilibrato dal processo di evaporazione che mantiene pressoché costante la concentrazione dei sali.

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Cenni storici

Il primo chimico che ottenne la sintesi dell’acqua fu Henry Cavendish, che provocò l'esplosione di una miscela di idrogeno e aria. Il significato e l'importanza dell'esperimento, tuttavia, vennero compresi del tutto solo successivamente, grazie alle ricerche del chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier, il quale suggerì che l'acqua fosse un composto contenente idrogeno e ossigeno. Nel 1804 il chimico francese Joseph-Louis Gay-Lussac e il naturalista tedesco Alexander von Humboldt dimostrarono che essa è costituita da idrogeno e ossigeno nella proporzione di due volumi a uno, stabilendo quindi la formula H₂O e con essa la vera natura del composto.

La maggior parte dell'idrogeno contenuto nell'acqua che si trova in natura ha peso atomico 1; tuttavia nel 1932 il chimico statunitense Harold Clayton Urey scoprì che nell'acqua è presente, nella concentrazione di una parte su 6000, ossido di deuterio, un composto di formula D₂O, comunemente detto acqua pesante. Tracce di trizio, l'isotopo dell'idrogeno di peso atomico 3, furono rilevate nel 1951 dal chimico statunitense Aristid Grosse.