Proprietà fisiche e chimiche dell'acqua

Le proprietà fisiche e chimiche dell'acqua

Le proprietà dell'acqua: generalità e curiosità
Le proprietà dell'acqua: isotopi e struttura molecolare

Storico

L'acqua era considerata dagli Antichi uno dei 4 elementi fondamentali: il mondo era composto da una miscela di questi 4 principi essenziali in proporzioni variabili. Era considerato un corpo semplice fino al XVIII secolo. Poi diversi chimici scoprirono che l'acqua non era un semplice corpo effettuando la sintesi e poi l'analisi. Citiamo i precursori, Priestley che ha prodotto l'acqua dalla combustione dell'idrogeno (1774), Watts (1783) che ha ipotizzato che l'acqua non fosse un semplice corpo, Monge che l'ha prodotta sintesi sotto l'azione di una scintilla elettrica da una miscela di ossigeno e idrogeno. Ma l'esperimento di sintesi decisivo fu quello di Lavoisier e Laplace (1783) che sintetizzarono l'acqua dall'idrogeno e dall'ossigeno in un memorabile esperimento pubblico. La decomposizione dell'acqua avvenne successivamente, dopo la scoperta della cella elettrica da parte di Volta nel 1800. L'elettrolisi dell'acqua consentì di misurare il rispettivo rapporto tra ossigeno e idrogeno per arrivare finalmente al ben nota formula chimica H2O. La prima elettrolisi pratica (e spettacolare) fu eseguita nel 1800 a Parigi da Robertson; la formula chimica è stata chiarita dal lavoro teorico di Dalton (1803) e Avogadro (1811).

Proprietà fisiche dell'acqua

L'acqua ha proprietà fisiche piuttosto speciali rispetto ad altri liquidi. Si presenta come un liquido “strutturato”, e non disordinato come gli altri liquidi, per il fatto che i suoi costituenti elementari sono associati.

Le proprietà dell'acqua servono come riferimento per la standardizzazione internazionale delle scale numeriche: temperatura, densità, massa, viscosità, calore specifico. Il calore specifico è eccezionalmente alto (18 mole calorie per grado), spiega la grande inerzia termica dell'acqua e il suo ruolo nella regolazione della temperatura della superficie terrestre. Gli oceani immagazzinano un'enorme quantità di calore che ridistribuisce dalle correnti marine; l'evaporazione dell'acqua assorbe energia nell'ambiente acquatico e ne abbassa la temperatura, la condensazione del vapore in goccioline nelle nuvole restituisce questo calore all'atmosfera. Le masse d'acqua sulla superficie del globo sono veri e propri volani termici per i climi.

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La densità dell'acqua varia con la sua temperatura; aumenta al diminuire della temperatura, ma la densità massima è di 4 ° C (0,997 g / cm3) e non a 0 ° come ci si potrebbe aspettare. Pertanto, mari e laghi gelano dalla superficie e non dal fondo dove l'acqua più densa si accumula per stratificazione. L'acqua allo stato solido è più leggera dell'acqua liquida (densità del ghiaccio: 0,920 g / cm3).

La viscosità dell'acqua dipende dalla sua composizione isotopica: l'acqua pesante è il 30% più viscosa dell'acqua normale. La viscosità prima diminuisce con la pressione e poi aumenta in seguito.

Il coefficiente di compressibilità isotermica dell'acqua è piccolo (4,9 10-5 per bar) e in prima approssimazione possiamo considerare l'acqua come incomprimibile. Tuttavia, le grandi depressioni atmosferiche agiscono sul livello del mare che sale durante le tempeste. La tensione superficiale è elevata: l'acqua è un buon bagnante (72 dyne / cm); si insinua e penetra in tutti gli interstizi e i pori delle rocce e nei suoli per capillarità. Questa proprietà è fondamentale per lo stoccaggio dell'acqua negli acquiferi, per l'erosione superficiale delle rocce (scoppiando per effetto del gelo: il passaggio acqua-ghiaccio sviluppa una pressione fino a 207 KPa). L'elevata tensione superficiale spiega anche la forma sferica delle gocce d'acqua.

Lo stato fisico dell'acqua dipende dalla temperatura e dalla pressione. Il passaggio del gas liquido è convenzionalmente effettuato a 100 ° C a pressione normale ma a 72 ° C solo in cima all'Everest (8 m). La temperatura di scioglimento del ghiaccio diminuisce con la pressione: sotto l'effetto di una pressione il ghiaccio diventa nuovamente liquido: così, i pattinatori scivolano effettivamente su un sottile film di acqua liquida formatosi sotto l'effetto della pressione del pattino . Il punto triplo dell'acqua è a 848 ° C sotto 0,01 mbar.

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L'acqua può rimanere liquida al di sotto del punto di fusione del ghiaccio: questo fenomeno di supercooling può essere mantenuto fino ad una temperatura di -40 ° C. Ciò è spiegato dall'assenza di semi per avviare la cristallizzazione solida. In natura, il germe è fornito da un comune batterio, lo Pseudomonas syringae. La manipolazione genetica di questo batterio permette sia di ritardare il congelamento degli alberi da frutto, sia di accelerare il gelo per rendere più facilmente la neve artificiale.

Infine, l'acqua è un eccellente solvente che funge da veicolo per la maggior parte degli ioni sulla superficie del globo.

Proprietà chimiche dell'acqua

L'acqua è un ottimo solvente che dissolve un gran numero di sali, gas e molecole organiche. Le reazioni chimiche della vita avvengono in un mezzo acquoso; gli organismi sono molto ricchi di acqua (fino a oltre il 90%). È stato a lungo considerato un solvente neutro che interviene poco o per niente nelle reazioni chimiche. La diluizione in acqua ha permesso in particolare di rallentare l'attività dei reagenti. L'acqua, infatti, è un agente chimico molto aggressivo che rischia di aggredire le pareti del contenitore che la contiene: in una bottiglia di vetro gli ioni di silicio passano attraverso l'acqua. L'acqua pura può esistere da un punto di vista normativo, cioè senza contaminanti batterici e chimici, ma praticamente non esiste dal punto di vista chimico: anche l'acqua distillata contiene tracce di ioni o molecole organiche prelevate da tubi e recipienti.

Nelle reazioni chimiche, l'acqua viene prima coinvolta dalla sua dissociazione in protoni H +, spesso associati a H2O per formare protoni idrati H3O +, e in ioni idrossilici OH. È il rapporto tra questi 2 tipi di ioni che determina il pH della soluzione (pH: logaritmo dell'inverso della concentrazione molare di H +). Molti metalli possono decomporre l'acqua, emettendo idrogeno e un idrossido di metallo.

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La dissoluzione degli ioni (sali, acidi, basi) è una conseguenza della natura polare dell'acqua. La concentrazione di ioni di un sale caratterizza il prodotto di solubilità. I sali hanno valori di prodotto di diversa solubilità, il che spiega il fenomeno della cristallizzazione frazionata durante l'evaporazione di una soluzione salina.Nelle saline l'acqua di mare prima deposita carbonato di calcio, solfato di calcio, poi cloruro di sodio e infine sali molto solubili come potassio, ioduri e bromuri.

Una proprietà importante sulla superficie terrestre è la dissoluzione della CO2 che produce un acido debole, l'acido carbonico, responsabile degli agenti atmosferici chimici di molte rocce, soprattutto calcaree. La quantità di CO2 disciolta è una funzione della pressione e una funzione inversa della temperatura. Il carbonato di calcio può essere disciolto sotto forma di carbonato acido e quindi riprecipitato secondo le variazioni di temperatura e pressione, come nel caso delle reti carsiche.

Fonte: http://www.u-picardie.fr/

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