Lacqua è un composto chimico di formula molecolare H2O, in cui i due atomi di idrogeno sono legati all'atomo di ossigeno con legame covalente polare. In condizioni di temperatura e pressione normali"Condizioni normali" (o "c.n.") significa le condizioni standard di temperatura e pressione rispettivamente di 20 °C e 1 atm. si presenta come un sistema bifase, costituito da un liquido incolore e insapore (che viene chiamato "acqua" in senso stretto) e da un vapore incolore (detto vapore acqueo). Si presenta allo stato solido (detto ghiaccio) nel caso in cui la temperatura sia uguale o inferiore alla temperatura di congelamento.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.
Essendo l'acqua un ottimo solvente, le acque naturali contengono disciolte moltissime altre sostanze, ed è per questo motivo che con il termine "acqua" si intende comunemente sia il composto chimico puro di formula H2O, sia la miscela (liquida) formata dallo stesso, con altre sostanze disciolte al suo interno.
L'acqua in natura è tra i principali costituenti degli ecosistemi ed è alla base di tutte le forme di vita conosciute, compreso l'essere umano; a essa è dovuta anche la stessa origine della vita sul nostro pianeta ed è inoltre indispensabile anche nell'uso civile, agricolo e industriale; l'uomo ha riconosciuto sin da tempi antichissimi la sua importanza, identificandola come uno dei principali elementi costitutivi dell'universo e attribuendole un profondo valore simbolico, riscontrabile nelle principali religioni.
Sul pianeta Terra è presente nei suoi tre stati (liquido, solido e gassoso), copre il 71% della superficie del pianeta, è un elemento climatico fondamentale ed è il principale costituente del corpo umano.Giulio Boccaletti, Acqua. Una biografia, 2022, trad. Roberto Serrai, Mondadori, ISBN 978 88 04 74920 2.
Etimologia Il termine "acqua" deriva dal latino aqua, dal protoitalico *akwā, a sua volta da una radice indoeuropea *h₂ékʷeh₂ con collegamenti nell'area germanica (protogermanico *ahwō) e nella lingua lusitana. Il termine è imparentato con il protogermanico *watōr (da una radice indoeuropea wódr̥) da cui discendono il tedesco wasser e l'inglese water; dalla stessa radice indoeuropea discende il latino unda (italiano "onda").
Fisica e chimica dell'acqua Le prime scoperte scientifiche
Le prime teorie sulla natura degli elementi che compongono l'universo furono sviluppate dai filosofi dell'antica grecia.Per una panoramica storica sullo sviluppo scientifico che ha portato alla scoperta della molecola H2O si veda: Talete identificò l'acqua come il principio da cui tutte le cose avrebbero avuto origine, al contrario Empedocle propose che quattro elementi fondamentali, acqua, aria, fuoco e terra, miscelandosi in diverse proporzioni, fossero in grado di spiegare la variabilità degli elementi osservati in natura. Infine, Aristotele introdusse l'idea che la terra potesse trasmutarsi in acqua. La convinzione che l'acqua fosse un elemento primitivo e indivisibile si protrasse fino all'età moderna e con essa la controversia su quanti fossero e quali caratteristiche avessero gli elementi fondamentali che costituiscono la materia osservata.
Nel XVII secolo, Jean Baptiste van Helmont, convinto che gli elementi fondamentali fossero solo acqua e aria, condusse un esperimento facendo crescere un salice da una quantità di terra innaffiata regolarmente per cinque anni. La terra su cui cresceva l'albero venne pesata all'inizio dell'esperimento e alla fine quando il salice era cresciuto. Osservando che la massa totale della terra non era cambiata significativamente, concluse che l'acqua si fosse tramutata in legno e quindi che l'acqua fosse l'elemento fondamentale costitutivo della terra.In questo, non riuscì a cogliere il ruolo dell'anidride carbonica nella crescita degli alberi legata alla fotosintesi clorofilliana
Nel 1742, Anders Celsius definì la scala di temperatura che prende il suo nome, ponendo il punto di fusione dell'acqua (alla normale pressione atmosferica) a 100 gradi e il punto di ebollizione a 0 gradi; nel 1745 però Linneo la invertì, arrivando alla scala come la conosciamo oggi..
Numerosi esperimenti nell'ambito della teoria del flogisto furono condotti nel XVIII secolo, dove si osservò che l'idrogeno, gas altamente infiammabile a quel tempo non identificato in quanto elemento, si compone con l'ossigeno producendo acqua. La reazione di combustione dell'idrogeno era attribuita alla presenza del flogisto, supponendo quindi che il flogisto potesse essere considerato come un fluido o una sostanza. Henry Cavendish condusse una serie di esperimenti nei quali produsse idrogeno a partire dalla reazione fra acidi e metalli; osservando che idrogeno e ossigeno gassosi si combinano completamente in acqua in volumi in proporzione circa uguale a due a uno. Propose quindi una teoria in base alla quale l'ossigeno era semplicemente acqua privata del flogisto, mentre l'idrogeno acqua con un eccesso flogisto, mantenendo quindi la teoria in base alla quale l'acqua è un elemento fondamentale della natura. Negli stessi anni James Watt propose una teoria analoga, in cui invece l'acqua veniva considerata questa volta come un composto di aria e flogisto, mentre Antoine Laurent Lavoisier, in completa opposizione alla teoria del flogisto, fu il primo a proporre l'ipotesi corretta secondo la quale l'acqua è un composto di ossigeno e idrogeno.
La prima scomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno mediante il processo di elettrolisi fu eseguita nel 1800 dal chimico inglese William Nicholson.. L'interpretazione del processo di elettrolisi rimase aperta; dopo la formulazione della teoria atomica da parte di John Dalton, Amedeo Avogadro fu il primo a suggerire che l'acqua fosse composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Si scoprì infatti che l'acqua è parzialmente dissociata in ioni H+ e OH-, che migrano verso i due poli della cella elettrolitica, dove si svolgono le seguenti reazioni:
anodo (+): 4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e- catodo (−): 2 H+ + 2 e− → H2
l'ossigeno e l'idrogeno vengono prodotti sotto forma di bolle gassose sulla superficie degli elettrodi, da cui possono essere raccolti.
Una controversia scientifica è nata alla fine degli anni sessanta a proposito dell'esistenza di una forma polimerica dell'acqua (la "poliacqua"). È ormai condivisa l'opinione che tale "poliacqua" non esista.
Le forme fisiche dell'acqua
L'acqua assume più forme in natura. Allo stato solido è nota come ghiaccio, allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo. Sono note anche altre due forme solide, quella del ghiaccio vetroso e quella del solido amorfo, non cristallino, simile al vetro (ghiaccio amorfo). A pressioni estreme il ghiaccio può assumere diversi stati solidi, numerati con numeri romani. La gamma delle forme solide dell'acqua è così vasta e varia da non essere nemmeno confrontabile con quella di alcun altro materiale. Gli stati dell'acqua e le loro caratteristiche sono determinate dalle proprietà quantistiche della molecola H2O; per questa ragione è possibile studiare le forme dell'acqua, oltre che con gli esperimenti, anche attraverso simulazioni numeriche a partire dai principi della meccanica quantistica.
Il ghiaccio e la neve con cui abbiamo a che fare nell'esperienza quotidiana presentano, di norma, una struttura cristallina esagonale (ghiaccio Ih). Solo leggermente meno stabile (metastabile) della forma esagonale è quella cubica (Ghiaccio Ic). Raffreddando il ghiaccio Ih si ha la formazione di una diversa configurazione, la forma del ghiaccio XI, nella quale i protoni presentano un'elevata mobilità.
A diverse temperature e pressioni possono esistere altri tipi di ghiaccio, che possono essere identificati nel diagramma di fase del ghiaccio. Tra questi, vi sono: II, III, V, VI, VII, VIII, IX, e X. Il passaggio da un ghiaccio all'altro avviene attraverso una transizione isotermica (come per tutte le transizioni di fase). I vari tipi di ghiaccio differiscono per la loro struttura cristallina, ordinamento e densità.
Esistono due altre fasi del ghiaccio che sono metastabili: la IV e la XII. Il ghiaccio XII fu scoperto nel 1996 da C. Lobban, J.L. Finney e W.F. Kuhs. Nel 2006 sono state scoperte le forme XIII e XIV.
Oltre alle forme cristalline, l'acqua può esistere in stati amorfi: acqua solida amorfa, ghiaccio amorfo a bassa densità, ghiaccio amorfo ad alta densità, ghiaccio amorfo ad altissima densità e acqua vetrosa sottoraffreddata.
Esistono anche molecole d'acqua costituite da isotopi dell'idrogeno al posto del normale prozio (11H), che trovano impiego principalmente in ambito nucleare.
Nel 2016 viene scoperto un secondo stato liquido dell'acqua che si presenta a una temperatura tra i 40º e i 60º con valori diversi di costante dielettrica e di rilassamento spin-reticolo cambiando il regime della dilatazione termica e della velocità di propagazione del suono.
Acqua pesante e superpesante L'acqua pesante (D2O o 21H2O) è un'acqua in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da atomi di deuterio, isotopo dell'idrogeno avente peso atomico 2 uma. Il suo comportamento chimico è sostanzialmente uguale a quello dell'acqua. Gilbert Newton Lewis ha isolato il primo campione di pura acqua pesante nel 1933.
L'acqua pesante trova applicazione in quanto è un moderatore meno efficace dell'acqua comune (idrogeno + ossigeno) dei neutroni emessi dalla fissione nucleare ma ha una sezione di assorbimento dei neutroni molto inferiore. 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.
Esiste anche un'altra forma meno stabile, chiamata acqua superpesante (T2O o 31H2O), in cui al posto degli atomi di idrogeno sono presenti atomi di trizio, isotopo dell'idrogeno avente peso atomico 3 uma..
I cambiamenti di stato dell'acqua
L'acqua è una delle pochissime sostanze esistenti (insieme a gallio, bismuto e antimonio) in cui il processo di solidificazione avviene con un aumento di volume specifico (pari a circa 0,087 L/kg, alla temperatura di 0 °C (273,15 K) alla pressione di 1 atm), mentre il suo punto di ebollizione è a 100 °C (373,15 K).I punti di fusione ed ebollizione riportati sono riferiti alla pressione di 1 atm. Ciò comporta che alla diminuzione della temperatura, la pressione corrispondente al passaggio di stato solido-liquido aumenti sensibilmente: si ha una pendenza negativa della linea di passaggio solido-liquido nel diagramma di fase pressione-temperatura. In particolare, per ogni centesimo di grado Celsius (0,01 °C) di diminuzione della temperatura si ha un aumento della pressione di fusione di circa una atmosfera. Questa relazione è verificata fino alla pressione di 2070 atm e alla temperatura di -22 °C, oltre la quale si hanno altri stati allotropici.
Alla pressione atmosferica (1 atm) l'acqua bolle alla temperatura di 100 °C. Come per tutte le altre sostanze, durante la trasformazione è necessario fornire una certa quantità di calore (detto calore latente), che nel caso dell'acqua è più elevato di ogni altra sostanza nota: a condizioni di 0 °C e di 1 atm questo calore di vaporizzazione è infatti pari a 2501 kJ/kg. Fra i 90 °C e i 250 °C vale la regola empirica per cui la pressione di vaporizzazione (in bar) è pari alla quarta potenza della centesima parte della temperatura di vaporizzazione (in gradi Celsius):
L'acqua superionica