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Cascadă

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Cascadă
Reprezentarea moleculei de apă cu indicarea mărimii.
Model generat de computer al unei molecule de apă.
Numele IUPAC
apă, oxidează [1]
Denumiri alternative
monoxidului de dihidrogen
Caracteristici generale
Formula moleculară sau brută H 2 O
Masa moleculară ( u ) 18.0153
Aspect lichid incolor [2]
numar CAS 7732-18-5
Numărul EINECS 231-791-2
PubChem 962
DrugBank DB09145
ZÂMBETE
O
Proprietăți fizico-chimice
Densitate (g / cm 3 , în cs ) 0,99984 (0 ° C), [3] 0,99705 (25 ° C) [3]
Indicele de refracție 1,3330
Temperatură de topire 0,00 ° C (273,15 K)
Δ fus H 0 (kJ mol −1 ) 6 (la 0,00 ° C) [4]
Δ fus S 0 (J K −1 mol −1 ) 21,9 (la 0,00 ° C) [4]
Temperatura de fierbere 100,00 ° C (373,15 K)
Δ eb H 0 (kJ mol −1 ) 40,7 [5]
Punct triplu 273,16 K (0,01 ° C)
611,73 Pa
Punct critic 647 K (374 ° C)
2.2064 × 10 7 Pa [3]
Presiunea de vapori ( Pa ) la 293,15 K. 2338,54
Sistem cristalin hexagonal (vezi cristale de gheață )
Vâscozitatea cinematică ( m 2 / s la 20 ° C) 1.1 [6] -1.01x10 -6 [7]
Vâscozitate dinamică ( mPa s la 20 ° C) 1,002 × 10 -3
Proprietăți termochimice
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
Informații de siguranță
Fraze H ---
Sfaturi P --- [8]

Apa este un compus chimic cu formula moleculară H 2 O , în care cei doi atomi de hidrogen sunt legați de atomul de oxigen cu o legătură covalentă polară. Sub normale de temperatură și presiune condiții [9] apare ca un sistem cu două faze , constând dintr - un lichid incolor [2] și fără gust lichid (care este numit „apă“ în sensul strict) și un incolor de vapori (denumit vapori de apă ). Apare în stare solidă (numită gheață ) dacă temperatura este egală sau mai mică decât temperatura de îngheț . [10]

Deoarece apa este un excelent solvent , apele naturale conțin multe alte substanțe dizolvate, și este din acest motiv termenul „apă“ înseamnă în mod obișnuit atât pur chimic compus cu formula H 2 O și (lichid) amestec format din același, cu alte substanțe dizolvate în el.

Apa din natură este unul dintre principalii constituenți ai ecosistemelor și stă la baza tuturor formelor de viață cunoscute, inclusiv a ființei umane ; se datorează și originii vieții de pe planeta noastră și este indispensabilă și în utilizarea civilă, agricolă și industrială; omul și-a recunoscut importanța încă din cele mai vechi timpuri, identificându-l ca fiind unul dintre principalele elemente constitutive ale universului și atribuindu-i o profundă valoare simbolică , care poate fi găsită în principalele religii .

Pe planeta Pământ , apa acoperă 71% din suprafața planetei și este principalul constituent al corpului uman .

Etimologie

Termenul apă derivă din latina aqua, -ae , din proto-italianul * akʷā , la rândul său dintr-o rădăcină indo-europeană * h₂ékʷeh₂ , „apă”, cu conexiuni în zona germanică ( proto- germanică * ahwō ) și în limba lusitană . Termenul în greaca veche : ὕδωρ, ὕδατος , hýdōr, hýdatos este legat de proto- germanica * watōr (dintr-o rădăcină indo-europeană * wódr̥ ) din care coboară germanul Wasser și apa engleză ; din aceeași rădăcină indo-europeană provine latina unda ( val italian).

Fizica și chimia apei

Primele descoperiri științifice

Credința că apa era un element primitiv și indivizibil a durat până în ultimele decenii ale secolului al XVIII-lea , când oamenii de știință Lavoisier și Cavendish au descoperit că această substanță este de fapt formată din doi constituenți: hidrogen și oxigen .

În 1742 , Anders Celsius a definit scara de temperatură care îi ia numele, plasând punctul de topire al apei (la presiunea atmosferică normală) la 100 de grade și punctul de fierbere la 0 grade; în 1745, însă, Linnaeus a inversat-o, ajungând la scara așa cum o cunoaștem astăzi. [11]

Electroliza apei

Prima descompunere a apei în hidrogen și oxigen (componentele sale elementare) a fost efectuată în 1800 de către chimistul englez William Nicholson , prin procesul de electroliză . [12] Apa este de fapt parțial disociată în ioni H + și OH - care migrează către cei doi poli ai celulei electrolitice, unde au loc următoarele reacții:

anod (+): 4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 și -
catod (-): 2 H + + 2 și - → H 2

oxigenul și hidrogenul sunt produse sub formă de bule de gaz pe suprafața electrozilor, din care pot fi colectate.

Gilbert Newton Lewis a izolat prima probă de apă grea pură (în care hidrogenul este înlocuit cu izotopul său deuteriu ) în 1933 . [13]

O controversă științifică a apărut la sfârșitul anilor 1960 în ceea ce privește existența unei forme polimerice de apă ( polia ). Acum este de acord că această poli-apă nu există. [14] [15] [16]

În 2007, prin utilizarea supercomputerelor și a mecanicii cuantice , a fost dezvoltat un model numeric de apă care pornind de la principiile cuantice ale moleculelor, extrapolează comportamentul corect. [17]

Formele fizice ale apei

Apa in stare lichida
Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: gheață , gheață amorfă și cristale de gheață .

Apa ia forme multiple în natură. În stare solidă este cunoscută sub numele de gheață , în stare gazoasă este cunoscută sub numele de vapori de apă . Două alte forme solide sunt cunoscute, că de gheață sticloasă și cea amorfă, necristalină, Sticla cum ar fi solid ( gheață amorf ). La presiuni extreme, gheața poate asuma mai multe stări solide, numerotate cu cifre romane. Gama de forme solide de apă este atât de vastă și variată încât nu este nici măcar comparabilă cu cea a oricărui alt material [18] .

Gheața și zăpada cu care avem de-a face au de obicei o structură cristalină hexagonală ( gheață I h ). Doar puțin mai puțin stabilă ( metastabilă ) decât forma hexagonală este cea cubică ( Ice I c ). Răcirea gheții I h are ca rezultat formarea unei configurații diferite, forma gheții XI , în care protonii au o mobilitate ridicată.

La diferite temperaturi și presiuni pot exista alte tipuri de gheață, care pot fi identificate în diagrama fazei de gheață. Acestea includ: II, III, V, VI, VII, VIII, IX și X. Trecerea de la o gheață la alta are loc printr-o tranziție izotermă (ca în cazul tuturor tranzițiilor de fază ). În condiții adecvate, toate aceste tipuri pot exista chiar și la temperatura camerei. Diferitele tipuri de gheață diferă prin structura lor cristalină , ordonare și densitate .

Există alte două faze ale gheții care sunt metastabile: IV și XII. Ice XII a fost descoperit în 1996 de C. Lobban, JL Finney și WF Kuhs. [19] În 2006 , au fost descoperite formele XIII și XIV. [20]

În plus față de formele cristaline, apa poate exista în stări amorfe : apă solidă amorfă , gheață amorfă de densitate mică , gheață amorfă de înaltă densitate , gheață amorfă de înaltă densitate și apă sticloasă subrăcită .

Există, de asemenea, molecule de apă formate din izotopi de hidrogen în loc de unchiul normal ( 1 1 H), care sunt utilizate în principal în câmpul nuclear .

Apa grea (D 2 O sau 2 1 H 2 O) este apă în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de deuteriu , un izotop de hidrogen având o greutate atomică de 2 uma . Comportamentul său chimic este substanțial același cu cel al apei; se aplică deoarece este un moderator mai puțin eficient al apei comune (hidrogen + oxigen) decât neutronii emiși de fisiunea nucleară, dar are o secțiune de absorbție a neutronilor mult mai redusă. Prin urmare, în câmpul nuclear, apa comună este definită și ca apă ușoară .

Există, de asemenea, o altă formă mai puțin stabilă, numită apă supraîncărcată (T 2 O sau 3 1 H 2 O), în care sunt prezenți atomi de tritiu în locul atomilor de hidrogen, un izotop de hidrogen având o greutate atomică de 3 uma. [21]

În 2016 a fost descoperită o a doua stare lichidă a apei care apare la o temperatură cuprinsă între 40 ° și 60 ° cu valori diferite ale constantei dielectrice și relaxării spin-zăbrele prin schimbarea regimului de expansiune termică și viteza de propagare a sunetului [22] .

Modificări ale stării apei

Apa este una dintre puținele substanțe existente (împreună cu galiul , bismutul și antimoniul ) în care procesul de solidificare are loc cu o creștere a volumului specific (egal cu aproximativ 0,087 L / kg , la o temperatură de 0 ° C (273,15 K ) la o presiune de 1 atm ), în timp ce punctul său de fierbere este la 100 ° C (373,15 K). [23] Aceasta implică faptul că odată cu scăderea temperaturii, presiunea corespunzătoare trecerii stării solid-lichid crește semnificativ: există o pantă negativă a liniei de trecere solid-lichid în diagrama de fază presiune-temperatură. În special, pentru fiecare sutime de grad Celsius (0,01 ° C) de scădere a temperaturii există o creștere a presiunii de topire de aproximativ o atmosferă. Această relație este verificată până la o presiune de 2070 atm și o temperatură de -22 ° C, dincolo de care apar alte stări alotrope .

La presiunea atmosferică (1 atm ) apa fierbe la o temperatură de 100 ° C. Ca și în cazul tuturor celorlalte substanțe, în timpul transformării este necesar să se furnizeze o anumită cantitate de căldură (numită căldură latentă ), care în cazul apei este mai mare decât orice altă substanță cunoscută: în condiții de 0 ° C și 1 atm această căldură de vaporizare este de fapt egal cu 2501 kJ / kg . Între 90 ° C și 250 ° C, regula generală se aplică presiunii de vaporizare (în bari) este egal cu puterea a patra a sutei părți a temperaturii de vaporizare (în grade Celsius):

Presiunea vaporilor apei

Apa superionică

În 1999 SISSA din Trieste și Centrul Internațional pentru Fizică Teoretică (ICTP) din Trieste „ Abdus Salam ” din Trieste au prezis teoretic existența unei faze de apă numită gheață superionică[24] sau superionică . În februarie 2018, un studiu publicat în Nature Physics de cercetători de la laboratorul național Lawrence Livermore confirmă existența acestuia[24] . După o anumită presiune, ionii de oxigen iau forma unei rețele cristaline , tipice unui solid, în timp ce ionii de hidrogen se găsesc în stare lichidă[24] .

Proprietățile fizico-chimice ale apei

Culoarea apei

Apa este albastră deoarece atunci când lumina soarelui , care conține toate culorile , pătrunde, unele culori sunt absorbite de molecule, în special, acestea asimilează mai bine culorile portocaliu și roșu, iar când lumina vine în ochii noștri are mai puține portocaliu și roșu și ne apare ca și cum ar fi mai albastru decât ceea ce numim lumină albă. [25]
Pe de altă parte, în ceea ce privește apa de mare , motivul colorării este puțin diferit: planctonul care trăiește acolo, de fapt, absoarbe lumină albastră și roșie, în timp ce cantitatea mare de materie organică dizolvată absoarbe aproape exclusiv lumină albastră. Acest lucru face ca lumina rămasă să tindă către un albastru mai adânc, purpuriu decât albastrul pal al apei pure. În schimb, culoarea verde turcoaz a apelor mării sudice și a insulelor din Caraibe se datorează prezenței mari a fitoplanctonului , un difuzor deosebit de eficient al luminii galbene și verzi. [25]

Gheaţă

În comparație cu alte substanțe cu molecule similare în masă sau omoloage cu alte elemente ale aceluiași grup din tabelul periodic (de exemplu hidrogen sulfurat ), apa în stare lichidă prezintă unele anomalii:

  • un punct de fierbere foarte ridicat;
  • un volum molar destul de mic;
  • o căldură specifică ridicată cu minimum 35 ° C;
  • o vâscozitate care prezintă un minim la presiuni ridicate;
  • un punct maxim în diagrama densitate-temperatură, prin care sub temperatura maximă lichidul scade în volum odată cu creșterea temperaturii.

Mai mult, în timpul procesului de înghețare există o creștere considerabilă a volumului. [26]

Aceste anomalii sunt cauzate de faptul că organizația cristalină , datorită legăturilor de hidrogen din gheață, există încă în apa lichidă, constituind o clădire macromoleculară lacunară cu legături mobile interne care scad în număr odată cu creșterea temperaturilor și care formează un set de aglomerate polimerice cluster în echilibru dinamic și de molecule libere sau legate în lanțuri sau inele.

Spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe, [27] pentru care forma solidă are o densitate mai mare decât forma lichidă, gheața este mai puțin densă decât apa lichidă. [28] Densitatea apei este de fapt maximă la 4 ° C, [29] temperatura la care apa este lichidă. Acest lucru se datorează tocmai naturii legăturilor de hidrogen, care mențin moleculele de apă lichidă mai strânse decât sunt în stare solidă.

Suprafețele înghețate ale lacurilor și oceanelor permit dezvoltarea vieții în mediul subiacent. Acest lucru este posibil deoarece gheața, având o densitate mai mică decât apa lichidă, plutește deasupra acesteia, astfel încât temperatura sub gheață va fi mai mare de 0 ° C. În caz contrar, temperatura scăzută nu ar permite organismelor marine să trăiască.

Fenomenul expansiunii apei la temperaturi scăzute este un avantaj pentru toate creaturile care trăiesc în medii de apă dulce în timpul iernii. Apa, răcindu-se la suprafață, crește în densitate și coboară spre fund, declanșând curenți convectivi care răcesc uniform întregul bazin. Când temperatura suprafeței scade sub 4 ° C, acest proces se oprește și, datorită împingerii lui Arhimede, apa mai rece rămâne la suprafață, unde, cu o scădere suplimentară a temperaturii, formează un strat de gheață . Dacă apa nu ar avea această particularitate, lacurile ar îngheța complet și, prin urmare, toate formele de viață prezente ar muri.

Situația în apele sărate este diferită: sarea conținută în apă de fapt scade atât punctul de îngheț al apei (cu aproximativ 2 ° C, datorită fenomenului de scădere crioscopică ), cât și temperatura la care apa atinge densitatea maximă (până la aproximativ 0 ° C). Prin urmare, în apele marine mișcările convective care aduc apa mai rece la fund nu sunt blocate de gradientul de densitate, așa cum se întâmplă în apele dulci. Din acest motiv, creaturile care trăiesc la fundul oceanelor arctice au trebuit să se adapteze, în timpul procesului lor evolutiv , pentru a supraviețui la temperaturi apropiate de 0 ° C.

În condiții normale de salinitate a apei de mare, apa îngheață la aproximativ -1,9 ° C. Gheața care se formează este substanțial lipsită de sare (deci are o densitate aproape egală cu cea a gheții de apă dulce). Această gheață plutește la suprafață, în timp ce sarea care a fost „expulzată” crește salinitatea și densitatea apei din jur, care coboară prin convecție până la fund.

Condițiile de temperatură și presiune în care fazele solide, lichide și gazoase ale unei substanțe coexistă în echilibru între ele se numesc punctul triplu . Pentru apă, punctul triplu este luat ca referință pentru măsurarea temperaturii, stabilindu-se prin convenție că aceasta este la 273,16 K (și la 0,01 ° C); presiunea în punctul triplu al apei este de 611,2 Pa , care este o valoare foarte scăzută, având în vedere că la nivelul mării presiunea atmosferică este în medie de 101.300 Pa.

Tensiunea superficială ridicată poate fi observată la formarea picăturilor.

Apa are o tensiune superficială ridicată, [30] care poate fi observată din geometria sferică a picăturilor de apă și din faptul că unele obiecte (cum ar fi un ac) sau insecte pot pluti pe suprafața apei. [31] O altă consecință directă a tensiunii superficiale este capilaritatea . Constă în capacitatea apei de a crește (evident pentru distanțe scurte) în fisuri și țevi foarte subțiri. Cu cât fisura este mai subțire, cu atât este mai mare deplasarea acropetală (în sus). [32] Tensiunea superficială joacă un rol fundamental în funcțiile multor organisme vii. Un exemplu este transportul apei în xilemul tulpinilor plantelor; tensiunea superficială menține coloana de apă unită, iar forțele adezive mențin apa care aderă la xilem. Coloane la fel de înalte și subțiri de lichide mai puțin coezive și mai puțin aderente s-ar rupe, formând buzunare de aer sau vapori, ceea ce face ineficient (sau chiar imposibil) transportul lichidului prin xilem.

Apa pură ( distilată ) este un bun izolator electric (adică un conductor rău). Dar, fiind și un bun solvent , în practică conține deseori urme de săruri dizolvate în el, care, cu ionii lor, îl fac un bun conductor de electricitate. [33]

Având în vedere abilitățile sale bune de solvent, apa pură nu se găsește în natură. [34] Prin simpla expunere la aer, apa își dizolvă dioxidul de carbon , formând o soluție foarte diluată de acid carbonic care poate atinge o valoare a pH-ului de 5,6. [35] În mod similar, picăturile de ploaie au întotdeauna o aciditate minimă. Prezența oxizilor de sulf sau azot în atmosferă, prin dizolvarea lor în picăturile de ploaie, duce la ploi acide cu valori ale pH-ului mai mici de 5 (în Italia au existat și ploi acide cu valori ale pH-ului în jur de 3, 5), [ 36] ale căror efecte asupra mediului sunt mult mai grave. PH-ul apei de mare este între 7,7 și 8,4. [37]

Natura dipolară a apei

Dispunerea atomilor în molecula de apă.

O caracteristică importantă a apei este dată de polaritatea moleculei sale, cu unmoment dipolar molecularde 1,847 D. [38] Forma moleculei de apă este similară cu un tetraedru [39] cu atomul de oxigen în centru, doi atomi de hidrogen la doi dintre vârfuri și două dublete de electroni nepartajate ( perechi solitare ) la celelalte două. Acesta din urmă, datorită repulsiei electrostatice, denaturează ușor structura tetraedrică, determinând unghiul format de cele două legături OH să fie 104,45 °, mai mic decât 109,5 ° al unui tetraedru regulat. [40] Electronii sunt mai atrași de atomul de oxigen, fiind mai electronegativ decât hidrogenul, prin urmare legăturile care se formează între atomii de H și atomul de O se numesc „covalenți polari”, deoarece prezintă o sarcină negativă parțială la oxigen atom ( 2 δ - ) și o sarcină parțială pozitivă la atomii de hidrogen ( δ + ).

Este extrem de important ca apa, fiind un compus amfoteric , să se descompună, deși într-un mod extrem de limitat, în anioni hidroxid și cationi hidroxoniu. Într-adevăr, măsurătorile exacte arată că apa pură are un pH de 7,00 la 25 ° C și presiune ambiantă.

Se spune că o moleculă care prezintă acest dezechilibru de încărcare electrică este un dipol electric . Sarcinile fac ca moleculele de apă să se atragă reciproc. Această atracție în apă este deosebit de intensă (chiar dacă este mult mai slabă decât legăturile covalente din interiorul moleculei în sine) și se numește o legătură de hidrogen (sau legătură H ) și explică multe dintre proprietățile fizice tipice ale apei.

Prezența legăturii de hidrogen explică, de exemplu, valorile relativ ridicate ale punctului de topire și ale punctului de fierbere al apei: de fapt, este nevoie de mai multă energie (în comparație cu substanțele mai puțin polare) pentru a sparge legăturile de hidrogen care țin moleculele împreună. fiecare. De exemplu, hidrogenul sulfurat , H 2 S (similar în geometrie, dar incapabil să formeze legături de hidrogen), este un gaz la temperatura camerei, în ciuda faptului că are o greutate moleculară aproape dublă față de apă.

Reprezentarea legăturii de hidrogen care se stabilește între mai multe molecule de apă. Numărul maxim de molecule de apă legate cu legătura de hidrogen la fiecare moleculă de apă este egal cu 4. În realitate, moleculele pot fi la o distanță insuficientă pentru a forma o astfel de legătură: de exemplu la temperatura ambiantă și presiune numărul de legături de hidrogen mediu pentru fiecare moleculă de apă este, potrivit lui Stillinger, egală cu aproximativ 1,35. [41]

Capacitatea termică specifică ridicată trebuie, de asemenea, să fie atribuită legăturii de hidrogen. Legătura de hidrogen explică, de asemenea, comportamentul neobișnuit al apei atunci când îngheață: datorită acestei legături, când temperatura scade până la punctul de îngheț, moleculele de apă se organizează într-o structură cristalină cu o simetrie hexagonală tipică gheții. să fie mai puțin dens decât apa lichidă.

Din faptul că gheața este mai puțin densă decât apa lichidă rezultă că gheața poate fi topită chiar și după o creștere a presiunii. Această presiune se dovedește a fi destul de mare. [42] În stare solidă, fiecare moleculă de apă se leagă cu alte patru molecule prin legături de hidrogen într-o configurație tetraedrică , dând naștere unei conformații tridimensionale a straturilor formate din inele hexagonale.

În stare lichidă, formarea continuă și ruperea legăturilor de hidrogen dă naștere la agregate fluctuante foarte mari (numite „domenii”) (de ordinul a zeci de molecule), datorită faptului că formarea unei legături de hidrogen ( H- legătură ) între două molecule induce formarea alteia, declanșând un fel de reacție în lanț . Fiecare domeniu are o structură similară cu cea a gheții; conform unei cercetări americane, la temperaturi cuprinse între 0 și 100 ° C și presiunea atmosferică, fiecare moleculă de apă este înconjurată în medie de alte 4,7 molecule [41], iar distanța dintre doi atomi de oxigen a moleculelor adiacente este de aproximativ 3 Å , făcând astfel scurtă -interacțiuni de gamă foarte influente. În special, fiecare moleculă de apă stabilește, în condițiile menționate anterior, aproximativ 1,35 legături de hidrogen cu moleculele de apă învecinate. [41] Existența acestor domenii conferă apei un grad ridicat de structurare, ceea ce determină multe caracteristici specifice.

Durata medie de viață a unui domeniu este un subiect foarte controversat și dezbătut; lăsând deoparte controversele mai mult sau mai puțin recente cu privire la așa-numita „memorie a apei”, viața medie a unui domeniu este de obicei considerată a fi de ordinul 0,1 ns , dar există teorii și dovezi experimentale conform cărora ar putea fi mult mai mult, adică câteva secunde sau mai mult; potrivit altor cercetări, însă, ar fi mult mai scurt, de ordinul a 50 fs . Mai mult, s-a constatat recent că procesele de relaxare în apă au loc după diferite scale de timp; aceasta înseamnă că coexistă diferite agregate moleculare, fiecare cu structura sa, care dă naștere unei imagini extrem de complexe. [43] [44] [45] [46] [47]

Sferă de hidratare în jurul unui ion de sodiu

Macromoleculele biologice și structurile supramoleculare interacționează cu moleculele de apă din apropiere ( apa de hidratare ), modificând unele dintre caracteristicile lor și, la rândul lor, suferind modificări ale caracteristicilor lor. Moleculele de apă ale stratului de hidratare , de exemplu, au o orientare preferențială și o libertate limitată de mișcare de rotație și de translație, ceea ce face ca timpul de corelație să treacă de la 10 −12 s apă pură la 10 −6 ÷ 10 - 9 s apa cojilor de hidratare. [48]

Apa formează clatrați hidrați , constând din „cuști” de molecule de apă care înconjoară molecule străine sau ioni. Dincolo de interesul pentru structura lor, care ilustrează ce organizație poate impune legătura de hidrogen, hidrații de clatrat sunt adesea luați ca model al modului în care apa pare să se organizeze în jurul unor grupuri nepolare, cum ar fi cele ale proteinelor .

Unii compuși ionici formează hidrați de clatrat în care anionul este încorporat în cadrul legăturilor de hidrogen. Acest tip de clatrați apare frecvent cu acceptori de legături de hidrogen foarte puternici, cum ar fi F - și OH - . Moleculele de apă mediază, de asemenea, unele rețele de legături de hidrogen intracaten și intercatenar, contribuind la stabilizarea și plierea colagenului , care este una dintre cele mai importante proteine ​​din natură.

Apa ca solvent

Amestec omogen (soluție) de apă și sare

Din punct de vedere chimic, apa este un bun solvent . [49] Proprietățile solventului apei sunt esențiale pentru ființele vii, deoarece permit reacțiile chimice complexe care stau la baza vieții în sine (de exemplu, cele care apar în sânge sau în citoplasma celulei ).

Comportamentul solventului apei este determinat de polaritatea moleculei sale: atunci când un compus ionic sau polar este dizolvat în apă, acesta este înconjurat de molecule de apă, care sunt inserate între un ion și altul sau între o moleculă și cealaltă de solut ( datorită dimensiunilor lor mici), orientându-se astfel încât să prezinte fiecărui ion (sau capăt polar) al solutului partea din sine care poartă sarcina opusă; aceasta slăbește atracția dintre ioni (sau între moleculele polare) și rupe structura cristalină; 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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