Le caratteristiche dell'acqua

Guardiamoci un po' intorno e scopriremo acqua dovunque! Allo stato liquido essa costituisce le immense masse oceaniche e forma i fiumi e i laghi. Allo stato solido la troviamo sotto forma di neve o di ghiaccio, che talvolta ricopre interi continenti come l'Antartide. Non solo; anche l'aria contiene una grande quantità di vapore acqueo che dà origine alle nubi e alla pioggia, determinando il clima di una regione. Inoltre l'acqua si trova nei cibi, nelle bevande, all'interno dei vegetali, nel corpo degli animali e anche nel nostro: nessun essere vivente può sopravvivere senza acqua, perché essa è assolutamente necessaria per tutte le funzioni di un organismo. Vediamo ora quali sono le sue caratteristiche chimiche e fisiche. Dal punto di vista chimico l'acqua è un composto formato da due elementi, l'idrogeno e l'ossigeno. La sua molecola è espressa dalla formula H²O, che indica il numero di atomi che la compongono: due di idrogeno e uno di ossigeno. Per quanto riguarda le caratteristiche fisiche, la densità dell'acqua chimicamente pura (che non contiene cioè nessun altra sostanza, come l'acqua distillata) è uguale a 1, vale a dire che 1 cm³ di acqua ha la massa di 1 g. Questo fatto non è casuale, ma dipende proprio da come storicamente, è stata scelta l'unità di misura della massa: il chilogrammo è stato definito infatti come la massa di 1 dm³ di acqua distillata, alla pressione di 1 atmosfera e alla temperatura di 4 °C. Il peso specifico e la densità dell'acqua sono stati scelti come unità di misura per stabilire pesi specifici e densità relativi di tutte le altre sostanze.

L'acqua e il calore

Come tutti i corpi, anche l'acqua cede e assorbe calore; tuttavia il suo calore specifico, rispetto a quello di altre sostanze, è alto, cioè l'acqua acquista e cede calore con variazioni relativamente modeste della propria temperatura. Questa proprietà ha grande influenza sul clima, delle regioni costiere e nella formazione dei venti periodici, come ad esempio le brezze. Nell'acqua il calore si propaga per convezione. Come è noto,infatti, l'acqua riscaldata si dilata; aumentando di volume essa diventa meno densa, quindi più leggera, per cui tende a salire rispetto all'acqua circostante più fredda, che essendo più densa, tende a scendere. In tal modo si crea una vera e propria circolazione all'interno del liquido, che viene così rimescolato continuamente.

Gli stati fisici dell'acqua

In natura l'acqua è presente in tutti e tre gli stati fisici: solido, liquido e gassoso. Come abbiamo già visto, la temperatura di fusione del ghiaccio è di 0 °C, mentre quella di ebollizione dell'acqua pura è di 100 °C. Le due temperature sono state prese come indici di riferimento nella costruzione della scala termometrica Celsius. Ma sappiamo già che l'acqua passa allo stato gassoso anche a temperature inferiori a 100 °C per evaporazione o per sublimazione. E questo non è un comportamento insolito: infatti tutte le sostanze possono evaporare anche a temperature inferiori a quella di ebollizione. Ad esempio, l'«umidità» dell'aria è dovuta alla presenza di vapore acqueo, cioè di molecole di acqua allo stato gassoso provenienti, per evaporazione a «temperatura ambiente», dai mari, dai fiumi ecc.

L'acqua e il ghiaccio

L'acqua, a differenza di tutte le altre sostanze, presenta una singolare proprietà quando passa dallo stato liquido a quello solido. Se prendiamo una qualsiasi sostanza solida e la facciamo fondere, il liquido ottenuto ha un volume maggiore di quello del solido. Viceversa, facendo solidificare una sostanza liquida otterremo un solido di volume inferiore a quello del liquido. In altre parole un pezzo di ferro solido occupa un volume minore del ferro liquido ottenuto per fusione. Che cosa accade invece con l'acqua? L'acqua solidificando aumenta di volume; ciò è conseguenza del fatto che le molecole si dispongono stabilmente secondo una struttura geometrica esagonale, nella quale gli spazi fra molecola e molecola sono maggiori di quelli tra le molecole allo stato liquido. Dunque due volumi uguali, uno contenente acqua allo stato liquido e l'altro acqua allo stato solido, non contengono un ugual numero di molecole; e precisamente, il primo ne contiene un numero maggiore del secondo. Ne consegue che il peso specifico del ghiaccio è inferiore a quello dell'acqua allo stato liquido. Un'importantissima conseguenza del fatto che l'acqua aumenta di volume allo stato solido è che il ghiaccio ha un peso specifico minore dell'acqua e pertanto galleggia. Inoltre esso è un buon isolante termico e quindi non favorisce il congelamento degli strati d'acqua sottostanti: ciò consente la sopravvivenza di tutti gli organismi che vivono nelle acque. Se il ghiaccio non galleggiasse, si avrebbero delle terribili conseguenze: scendendo sul fondo esso si accumulerebbe, estendendosi via via sempre più verso la superficie, fino a rendere gelata l'intera massa degli oceani e dei mari.

Diversa disposizione delle molecole dell'acqua allo stato liquido (a) e allo stato solido (b)

Minuscoli crostacei sotto i ghiacci dei mari dell'Antartide (se il ghiaccio non galleggiasse nessun essere vivente potrebbe sopravvivere).

L'acqua e le soluzioni

Una proprietà fondamentale dell'acqua è quella di sciogliere molte sostanze. Chi ha provato a bere l'acqua del mare si è subito reso conto di quanto sia sgradevole perché salata e amara. Da cosa dipendono queste sue caratteristiche? Il sapore è dovuto al fatto che nell'acqua di mare si trovano disciolte alcune sostanze, alcuni sali, dei quali è facile rilevare la presenza. Basta infatti mettere poca acqua marina in un catino e lasciarla al sole: quando l'acqua è evaporata, resta sul fondo del catino un residuo biancastro: sono appunto i sali che erano disciolti nell'acqua. Se invece si prova ad assaggiare l'acqua distillata essa risulta assolutamente priva di sapore: si tratta infatti di acqua pura, nella quale non è disciolta nessun'altra sostanza. I liquidi che hanno la capacità di sciogliere altre sostanze vengono definiti solventi: l'acqua è dunque un solvente. La, sostanza che viene disciolta si chiama soluto e l'insieme di solvente e soluto prende il nome di soluzione. Ai nostri occhi una soluzione acquosa sembra per lo più acqua pura; infatti se versiamo in un bicchiere d'acqua un cucchiaino di zucchero o di sale e mescoliamo bene essi «spariranno» alla vista, ma la loro presenza potrà essere avvertita assaggiandola.

Le soluzioni sature

Se in un litro d'acqua versiamo due o tre cucchiai colmi di zucchero e mescoliamo bene, lo zucchero si scioglierà completamente. Ma se continuiamo ad aggiungere zucchero, ad un certo punto, pur mescolando vigorosamente, esso si depositerà sul fondo del recipiente senza sciogliersi. Questo accade perché ogni solvente ha una capacità limitata di sciogliere le sostanze. Quando il solvente ha sciolto la maggior quantità possibile di soluto, al punto che anche aggiungendone una piccolissima quantità esso si deposita sul fondo, si ha una soluzione satura. La saturazione di una soluzione dipende però anche dalla sua temperatura: se si aumenta la temperatura il solvente è in grado di sciogliere una maggior quantità di soluto, mentre se si abbassa la temperatura diminuisce la quantità di soluto sciolto nella soluzione e la parte in sovrappiù si depositerà sul fondo del recipiente. Il concetto di soluzione satura permette di definirne anche altri due. È diluita una soluzione in cui la quantità di soluto è molto inferiore a quella necessaria a raggiungere la saturazione; si dice invece concentrata una soluzione in cui la quantità di soluto è vicina al punto di saturazione. La concentrazione di una soluzione può essere definita indicando, ad esempio, quanti grammi di soluto sono presenti in 100 g di soluzione: avremo in tal modo la concentrazione percentuale.

Temperatura di fusione e di ebollizione delle soluzioni

La presenza di un soluto nell'acqua determina una variazione nella temperatura di fusione e di ebollizione, di cui abbiamo parlato in un paragrafo precedente. L'acqua che contiene dei sali non solidifica a 0 °C, ma a una temperatura inferiore, e tanto più bassa quanto maggiore è la concentrazione della soluzione. È per questo che durante l'inverno si getta un sale (normalmente il cloruro di calcio) sulle strade dove facilmente si forma il ghiaccio; la soluzione non solidificherà a 0 °C ma a una temperatura inferiore. La presenza del soluto determina un aumento anche della temperatura di ebollizione: una soluzione acquosa bolle ad una temperatura superiore a 100 °C, e tanto maggiore quanto la soluzione è più concentrata. L'acqua può sciogliere molte sostanze, siano esse solide, liquide o gassose. L'alcol ad esempio, può entrare in soluzione con l'acqua e anche un gas come l'anidride carbonica può dare soluzioni acquose (basta, leggere l'etichetta di qualsiasi bibita gassata). Tuttavia l'acqua non è in grado di sciogliere tutte le sostanze: ad esempio il marmo non si scioglie in acqua, nemmeno se è ridotto in polvere, e così la sabbia; anche i grassi, come il burro e l'olio non si sciolgono nell'acqua: queste sostanze vengono dette insolubili nell'acqua. Mescolando all'acqua le sostanze insolubili si ottengono le miscele; esse prendono il nome di emulsioni quando la sostanza mescolata all'acqua è un liquido, come ad esempio l'olio, mentre si dicono sospensioni quando si aggiunge all'acqua una sostanza solida ridotta in parti finissime, come ad esempio farina.

L'acqua pura bolle a 100°C, mentre una soluzione bolle a temperatura più elevata.

Il ciclo dell'acqua

I fiumi di tutto il mondo, grandi o piccoli, dopo aver percorso valli e pianure e dopo aver ricevuto le acque degli affluenti riversano nei mari milioni e milioni di metri cubi d'acqua ogni giorno.  Ma come mai il livello dei mari non aumenta progressivamente ed essi non hanno ancora invaso le terre emerse? Ciò accade perché le loro acque continuamente evaporano passando così nell'atmosfera. In natura, infatti, l'acqua compie un grande ciclo perennemente alimentato dall'energia del Sole che, provocando l'evaporazione, può essere in un certo senso considerato il «motore» di questo ciclo. Dalla superficie dei

Ciclo dell'acqua

mari, ma anche dai boschi e dalle grandi pianure, il calore del Sole fa continuamente evaporare l'acqua che, sotto forma di vapore, si mescola con l'aria. Ad alimentare la quantità di vapore presente nell'aria contribuiscono in modo sensibile anche le piante che, attraverso la «traspirazione», restituiscono all'ambiente l'acqua assorbita dal terreno attraverso le radici. A mano a mano che il vapore sale, trasportato dai moti convettori dell'aria , la temperatura diminuisce e ciò provoca la sua condensazione in minuscole goccioline d'acqua. Queste, ammassandosi, formano le nuvole, dalle quali l'acqua può scendere sotto forma di pioggia o, se la temperatura è inferiore a 0 °C, sotto forma di grandine o di neve. Le precipitazioni, giunte al suolo, in parte vengono assorbite dal terreno (arricchendolo dell'acqua necessaria alla vita dei vegetali) e in parte alimentano i ghiacciai e i fiumi, che portano l'acqua fino al mare. Anche una porzione dell'acqua assorbita dal terreno, attraverso percorsi sotterranei, ritorna al mare: e così il ciclo si chiude.

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