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Cascata

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Disambiguation note.svg Desambiguação - Se você estiver procurando por outros significados, consulte Água (desambiguação) .
Cascata
Representação da molécula de água com indicação do tamanho.
Modelo gerado por computador de uma molécula de água.
Nome IUPAC
água, oxidar [1]
Nomes alternativos
monóxido de Di-hidrogênio
Características gerais
Fórmula molecular ou bruta H2O
Massa molecular ( u ) 18.0153
Aparência líquido incolor [2]
Número CAS 7732-18-5
Número EINECS 231-791-2
PubChem 962
DrugBank DB09145
SORRISOS
O
Propriedades físico-químicas
Densidade (g / cm 3 , em cs ) 0,99984 (0 ° C), [3] 0,99705 (25 ° C) [3]
Índice de refração 1,3330
Temperatura de fusão 0,00 ° C (273,15 K)
Δ fus H 0 (kJ mol −1 ) 6 (a 0,00 ° C) [4]
Δ fus S 0 (J K −1 mol −1 ) 21,9 (a 0,00 ° C) [4]
Temperatura de ebulição 100,00 ° C (373,15 K)
Δ eb H 0 (kJ mol -1 ) 40,7 [5]
Ponto Triplo 273,16 K (0,01 ° C)
611,73 Pa
Ponto crítico 647 K (374 ° C)
2,2064 × 10 7 Pa [3]
Pressão de vapor ( Pa ) a 293,15 K. 2338,54
Sistema cristalino hexagonal (ver cristais de gelo )
Viscosidade cinemática ( m 2 / s a 20 ° C) 1,1 [6] -1,01x10 -6 [7]
Viscosidade dinâmica ( mPa s a 20 ° C) 1,002 × 10 -3
Propriedades termoquímicas
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
Informação de Segurança
Frases H ---
Conselhos P --- [8]

Água é um composto químico com a fórmula molecular H 2 O , em que os dois átomos de hidrogênio estão ligados ao átomo de oxigênio por uma ligação covalente polar. Sob normais de temperatura e de pressão condições [9] que aparece como um sistema de duas fases , consistindo de um líquido incolor [2] e insípido líquido (o que é chamado de "água", no sentido estrito) e uma incolor vapor (chamado vapor de água ). Ocorre no estado sólido (denominado gelo ) se a temperatura for igual ou inferior à temperatura de congelamento . [10]

Visto que a água é um excelente solvente , as águas naturais contêm muitas outras substâncias dissolvidas, e é por esta razão que o termo "água" comumente significa tanto o composto químico puro de fórmula H 2 O quanto a mistura (líquida) formada a partir do mesmo, com outras substâncias dissolvidas nele.

A água na natureza é um dos principais constituintes dos ecossistemas e é a base de todas as formas de vida conhecidas, incluindo o ser humano ; deve-se também à própria origem da vida em nosso planeta e é também indispensável no uso civil, agrícola e industrial; o homem reconheceu a sua importância desde a antiguidade, identificando-o como um dos principais elementos constituintes do universo e atribuindo-lhe um profundo valor simbólico , que se encontra nas principais religiões .

No planeta Terra , a água cobre 71% da superfície do planeta e é o principal constituinte do corpo humano .

Etimologia

O termo água deriva do latim aqua, -ae , do proto-italiano * akʷā , por sua vez de uma raiz indo-européia * h₂ékʷeh₂ , 'água', com conexões na área germânica ( proto- germânica * ahwō ) e em a língua lusitana . O termo no grego antigo : ὕδωρ, ὕδατος , hýdōr, hýdatos está relacionado ao proto- germânico * watōr (de uma raiz indo-européia * wódr̥ ), do qual descendem o Wasser alemão e a água inglesa ; da mesma raiz indo-européia vem o latim unda ( onda italiana).

Física e Química da Água

As primeiras descobertas científicas

A crença de que a água era um elemento primitivo e indivisível perdurou até as últimas décadas do século 18 , quando os cientistas Lavoisier e Cavendish descobriram que essa substância é, na verdade, composta por dois constituintes: hidrogênio e oxigênio .

Em 1742 , Anders Celsius definiu a escala de temperatura que leva seu nome, colocando o ponto de fusão da água (à pressão atmosférica normal) em 100 graus e o ponto de ebulição em 0 graus; em 1745, porém, Linnaeus o inverteu, alcançando a escala que conhecemos hoje. [11]

A eletrólise da água

A primeira decomposição da água em hidrogênio e oxigênio (seus componentes elementares) foi realizada em 1800 pelo químico inglês William Nicholson , por meio do processo de eletrólise . [12] A água está de fato parcialmente dissociada em íons H + e OH - , que migram em direção aos dois pólos da célula eletrolítica, onde ocorrem as seguintes reações:

ânodo (+): 4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -
cátodo (-): 2 H + + 2 e - → H 2

oxigênio e hidrogênio são produzidos na forma de bolhas de gás na superfície dos eletrodos, de onde podem ser coletados.

Gilbert Newton Lewis isolou a primeira amostra de água pesada pura (na qual o hidrogênio é substituído por seu isótopo deutério ) em 1933 . [13]

Uma controvérsia científica surgiu no final dos anos 1960 a respeito da existência de uma forma polimérica de água ( poliágua ). Agora é concordado que esta poliágua não existe. [14] [15] [16]

Em 2007 através do uso de supercomputadores e mecânica quântica foi desenvolvido um modelo numérico da água que a partir dos princípios quânticos das moléculas extrapola o comportamento corretamente. [17]

As formas físicas da água

Água líquida
Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: gelo , gelo amorfo e cristais de gelo .

A água assume várias formas na natureza. No estado sólido é conhecido como gelo , no estado gasoso é conhecido como vapor de água . Duas outras formas sólidas são também conhecidas, a do gelo vítreo e a do sólido amorfo , não cristalino, semelhante ao vidro ( gelo amorfo ). Em pressões extremas, o gelo pode assumir vários estados sólidos, numerados com algarismos romanos. A gama de formas sólidas de água é tão vasta e variada que não é nem comparável com a de qualquer outro material [18] .

O gelo e a neve com os quais estamos lidando geralmente têm uma estrutura cristalina hexagonal ( gelo I h ). Apenas um pouco menos estável ( metaestável ) do que a forma hexagonal é a cúbica ( Ice I c ). O resfriamento do gelo I h resulta na formação de uma configuração diferente, a forma de gelo XI , na qual os prótons têm alta mobilidade.

Em diferentes temperaturas e pressões, podem existir outros tipos de gelo, que podem ser identificados no diagrama de fase do gelo. Estes incluem: II, III, V, VI, VII, VIII, IX e X. A transição de um gelo para outro ocorre por meio de uma transição isotérmica (como em todas as transições de fase ). Em condições adequadas, todos esses tipos podem existir mesmo em temperatura ambiente. Os vários tipos de gelo diferem em sua estrutura cristalina , ordem e densidade .

Existem duas outras fases do gelo que são metaestáveis: a IV e a XII. O gelo XII foi descoberto em 1996 por C. Lobban, JL Finney e WF Kuhs. [19] Em 2006 , os formulários XIII e XIV foram descobertos. [20]

Além das formas cristalinas, a água pode existir em estados amorfos : água sólida amorfa , gelo amorfo de baixa densidade , gelo amorfo de alta densidade , gelo amorfo de densidade ultra-alta e água vítrea sub - resfriada .

Existem também moléculas de água compostas de isótopos de hidrogênio em vez do tio-avô normal ( 1 1 H), que são usadas principalmente no campo nuclear .

Água pesada (D 2 O ou 2 1 H 2 O) é água em que os átomos de hidrogênio são substituídos por átomos de deutério , um isótopo de hidrogênio com um peso atômico de 2 uma . Seu comportamento químico é substancialmente o mesmo da água; ele encontra aplicação, pois é um moderador menos eficaz da água comum (hidrogênio + oxigênio) do que os nêutrons emitidos pela fissão nuclear, mas tem uma seção de absorção de nêutrons muito menor. No campo nuclear, portanto, a água comum também é definida como água leve .

Existe também outra forma menos estável, chamada água superpesada (T 2 O ou 3 1 H 2 O), na qual estão presentes átomos de trítio em vez de átomos de hidrogênio, um isótopo de hidrogênio com peso atômico de 3 uma. [21]

Em 2016 foi descoberto um segundo estado líquido da água que ocorre a uma temperatura entre 40 ° e 60 ° com diferentes valores de constante dielétrica e relaxamento da rede de spin , alterando o regime de expansão térmica e velocidade de propagação do som [22] .

Mudanças no estado da água

A água é uma das pouquíssimas substâncias existentes (junto com o gálio , bismuto e antimônio ) em que ocorre o processo de solidificação com aumento do volume específico (igual a cerca de 0,087 L / kg , a uma temperatura de 0 ° C (273,15 K ) a uma pressão de 1 atm ), enquanto o seu ponto de ebulição é 100 ° C (373,15 K). [23] Isso implica que à medida que a temperatura diminui, a pressão correspondente à passagem do estado sólido-líquido aumenta significativamente: há uma inclinação negativa da linha de passagem sólido-líquido no diagrama de fase pressão-temperatura. Em particular, para cada centésimo de grau Celsius (0,01 ° C) de diminuição da temperatura, há um aumento na pressão de fusão de cerca de uma atmosfera. Essa relação é verificada até uma pressão de 2070 atm e uma temperatura de -22 ° C, além da qual ocorrem outros estados alotrópicos .

À pressão atmosférica (1 atm ), a água ferve a uma temperatura de 100 ° C. Tal como acontece com todas as outras substâncias, durante a transformação é necessário fornecer uma certa quantidade de calor (chamado calor latente ), que no caso da água é superior a qualquer outra substância conhecida: nas condições de 0 ° C e 1 atm este calor de vaporização é de fato igual a 2501 kJ / kg . Entre 90 ° C e 250 ° C, a regra se aplica à pressão de vaporização (em bar) é igual à quarta potência da centésima parte da temperatura de vaporização (em graus Celsius):

Pressão de vapor da água

A água superionica

Em 1999, o SISSA de Trieste e o Centro Internacional de Física Teórica “ Abdus Salam ” (ICTP) de Trieste previram teoricamente a existência de uma fase aquosa chamada de gelo superiônico[24] ou superiônico . Em fevereiro de 2018, um estudo publicado na Nature Physics por pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory confirma sua existência[24] . Após uma determinada pressão, os íons de oxigênio assumem a forma de uma rede cristalina , típica de um sólido, enquanto os íons de hidrogênio encontram-se no estado líquido[24] .

Propriedades físico-químicas da água

A cor da água

A água é azul porque quando a luz do sol , que contém todas as cores , penetra, algumas cores são absorvidas pelas moléculas, em particular, elas assimilam melhor as cores laranja e vermelho, e quando a luz chega aos nossos olhos tem menos coloração laranja e vermelha e parece-nos mais azul do que o que chamamos de luz branca. [25]
Por outro lado, no que diz respeito à água do mar , o motivo da coloração é um pouco diferente: o plâncton que ali vive, de fato, absorve um pouco da luz azul e vermelha enquanto a grande quantidade de matéria orgânica dissolvida quase absorve luz exclusivamente azul. Isso faz com que a luz restante tenda a um azul arroxeado mais profundo do que o azul claro da água pura. Em vez disso, a cor verde turquesa das águas dos mares do sul e das ilhas do Caribe se deve à grande presença do fitoplâncton , um difusor particularmente eficaz de luz amarela e verde. [25]

Gelo

Em comparação com outras substâncias com moléculas semelhantes em massa ou homólogas a outros elementos do mesmo grupo na tabela periódica (por exemplo, sulfeto de hidrogênio ), a água no estado líquido tem algumas anomalias:

  • um ponto de ebulição muito alto;
  • um volume molar bastante baixo;
  • um calor específico alto com um mínimo de 35 ° C;
  • uma viscosidade que exibe um mínimo em altas pressões;
  • um ponto máximo no diagrama de densidade-temperatura, em que abaixo da temperatura máxima o líquido diminui de volume com o aumento da temperatura.

Além disso, durante o processo de congelamento ocorre um aumento considerável de volume. [26]

Essas anomalias são causadas pelo fato de que a organização cristalina , devido às ligações de hidrogênio no gelo, ainda existe na água líquida, constituindo um edifício macromolecular lacunar com ligações móveis internas que diminuem em número com o aumento da temperatura e que formam um conjunto de aglomerados poliméricos de aglomerados em equilíbrio dinâmico , e de moléculas livres ou ligadas em cadeias ou anéis.

Ao contrário da maioria das outras substâncias, [27] para as quais a forma sólida tem uma densidade mais alta do que a forma líquida, o gelo é menos denso que a água líquida. [28] A densidade da água é de fato máxima a 4 ° C, [29] a temperatura na qual a água é líquida. Isso se deve precisamente à natureza das ligações de hidrogênio, que mantêm as moléculas de água líquida mais firmes do que no estado sólido.

As superfícies congeladas de lagos e oceanos permitem o desenvolvimento da vida no ambiente subjacente. Isso é possível porque o gelo, tendo uma densidade menor do que a água líquida, flutua acima dele, de modo que a temperatura sob o gelo será maior que 0 ° C. Caso contrário, a baixa temperatura não permitiria que os organismos marinhos vivessem.

O fenômeno da expansão da água em baixas temperaturas é uma vantagem para todas as criaturas que vivem em ambientes de água doce no inverno. A água, resfriando na superfície, aumenta de densidade e desce em direção ao fundo, desencadeando correntes convectivas que resfriam uniformemente toda a bacia. Quando a temperatura da superfície cai abaixo de 4 ° C, esse processo cessa e, devido ao impulso de Arquimedes, a água mais fria permanece na superfície, onde, com uma nova queda de temperatura, forma uma camada de gelo . Se a água não tivesse essa peculiaridade, os lagos congelariam totalmente e, conseqüentemente, todas as formas de vida presentes morreriam.

A situação nas águas salgadas é diferente: o sal contido na água de fato diminui tanto o ponto de congelamento da água (em cerca de 2 ° C, devido ao fenômeno do rebaixamento crioscópico ) e a temperatura em que a água atinge sua densidade máxima (até cerca de 0 ° C). Portanto, nas águas marinhas os movimentos convectivos que trazem a água mais fria para o fundo não são bloqueados pelo gradiente de densidade, como ocorre nas águas doces. Por esse motivo, as criaturas que vivem no fundo dos oceanos árticos tiveram que se adaptar, durante seu processo evolutivo , para sobreviver a temperaturas próximas de 0 ° C.

Em condições normais de salinidade da água do mar, a água congela a aproximadamente -1,9 ° C. O gelo que se forma é substancialmente livre de sal (portanto, tem uma densidade quase igual à do gelo de água doce). Esse gelo flutua na superfície, enquanto o sal “expelido” aumenta a salinidade e a densidade da água circundante, que desce por convecção até o fundo.

As condições de temperatura e pressão nas quais as fases sólida, líquida e gasosa de uma substância coexistem em equilíbrio entre si são chamadas de ponto triplo . Para a água, toma-se como referência o ponto triplo para medir a temperatura, tendo-se estabelecido por convenção que esta é a 273,16 K (e a 0,01 ° C); a pressão no ponto triplo da água é de 611,2 Pa , que é um valor muito baixo, considerando que ao nível do mar a pressão atmosférica é em média 101.300 Pa.

A alta tensão superficial pode ser observada na formação das gotas.

A água possui uma alta tensão superficial , [30] que pode ser observada pela geometria esférica das gotas d'água e pelo fato de que alguns objetos (como uma agulha) ou insetos podem flutuar na superfície da água. [31] Outra consequência direta da tensão superficial é a capilaridade . Consiste na capacidade da água subir (obviamente para curtas distâncias) em fendas e canos muito finos. Quanto mais fina for a fissura, maior será o deslocamento acropetal (para cima). [32] A tensão superficial desempenha um papel fundamental nas funções de muitos organismos vivos. Um exemplo é o transporte de água no xilema dos caules das plantas; a tensão superficial mantém a coluna de água unida e as forças adesivas mantêm a água aderindo ao xilema. Colunas igualmente altas e finas de líquidos menos coesos e menos aderentes se quebrariam, formando bolsas de ar ou vapor, tornando ineficiente (ou mesmo impossível) o transporte do líquido através do xilema.

Água pura ( destilada ) é um bom isolante elétrico (ou seja, um mau condutor ). Mas, sendo também um bom solvente , na prática costuma conter vestígios de sais dissolvidos nele, que, com seus íons , o tornam um bom condutor de eletricidade. [33]

Dada sua boa capacidade de solvente, água pura não é encontrada na natureza. [34] Pela simples exposição ao ar, a água dissolve seu dióxido de carbono , formando uma solução muito diluída de ácido carbônico que pode atingir um valor de pH de 5,6. [35] Da mesma forma, as gotas de chuva sempre têm uma acidez mínima. A presença de óxidos de enxofre ou nitrogênio na atmosfera, por meio de sua dissolução em gotas de chuva, leva a chuvas ácidas com valores de pH inferiores a 5 (na Itália também ocorreram chuvas ácidas com valores de pH em torno de 3, 5), [ 36] cujos efeitos sobre o meio ambiente são muito mais graves. O pH da água do mar está entre 7,7 e 8,4. [37]

A natureza dipolar da água

Disposição dos átomos na molécula de água.

Uma característica importante da água é dada pela polaridade de sua molécula , commomento de dipolo molecularde 1,847 D. [38] A forma da molécula de água é semelhante a um tetraedro [39] com o átomo de oxigênio no centro, dois átomos de hidrogênio em dois dos vértices e dois dupletos de elétrons não compartilhados ( pares solitários ) nos outros dois. Este último, devido à repulsão eletrostática, distorce levemente a estrutura tetraédrica, fazendo com que o ângulo formado pelas duas ligações OH seja de 104,45 °, menor que os 109,5 ° de um tetraedro regular. [40] Os elétrons são mais atraídos pelo átomo de oxigênio, sendo este mais eletronegativo que o hidrogênio, portanto as ligações que se formam entre os átomos de H e o átomo de O são chamadas de "covalentes polares", por apresentarem carga parcial negativa no oxigênio átomo ( 2 δ - ), e uma carga parcial positiva nos átomos de hidrogênio ( δ + ).

É extremamente importante que a água, sendo um composto anfotérico , se decomponha, embora de forma extremamente limitada, em ânions hidróxidos e cátions hidroxônio. De fato, medições precisas mostram que a água pura tem um pH de 7,00 a 25 ° C e pressão ambiente.

Uma molécula que exibe esse desequilíbrio de carga elétrica é considerada um dipolo elétrico . As cargas fazem com que as moléculas de água se atraiam mutuamente. Essa atração na água é particularmente intensa (mesmo que seja muito mais fraca do que as ligações covalentes dentro da própria molécula) e é chamada de ligação de hidrogênio (ou ligação H ) e explica muitas das propriedades físicas típicas da água.

A presença da ligação de hidrogênio explica, por exemplo, os valores relativamente altos do ponto de fusão e do ponto de ebulição da água: na verdade, é necessária mais energia (em comparação com substâncias menos polares) para quebrar as ligações de hidrogênio que mantêm as moléculas unidas. uns aos outros. Por exemplo, o sulfeto de hidrogênio , H 2 S (semelhante em geometria, mas incapaz de formar ligações de hidrogênio), é um gás à temperatura ambiente, apesar de ter um peso molecular quase o dobro da água.

Representação da ligação de hidrogênio que é estabelecida entre várias moléculas de água. O número máximo de moléculas de água ligadas por ligação de hidrogênio a cada molécula de água é igual a 4. Na realidade, as moléculas podem estar a uma distância insuficiente para formar tal ligação: por exemplo, à temperatura e pressão ambientes, o número médio de ligações de hidrogênio para cada molécula de água é, de acordo com Stillinger, igual a cerca de 1,35. [41]

A alta capacidade de calor específico também deve ser atribuída à ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio também explica o comportamento incomum da água ao congelar: devido a essa ligação, quando a temperatura cai até o ponto de congelamento, as moléculas de água se organizam em uma estrutura cristalina com uma simetria hexagonal típica do gelo. , Que resulta em ser menos denso do que a água líquida.

Pelo fato de o gelo ser menos denso que a água líquida, segue-se que o gelo pode derreter mesmo após um aumento na pressão. Essa pressão acabou sendo bastante alta. [42] No estado sólido, cada molécula de água se liga a quatro outras moléculas por meio de ligações de hidrogênio em uma configuração tetraédrica , dando origem a uma conformação tridimensional de camadas compostas por anéis hexagonais.

No estado líquido, a formação contínua e quebra de ligações de hidrogênio dá origem a agregados flutuantes muito grandes (chamados "domínios") (da ordem de dezenas de moléculas), devido ao fato de que a formação de uma ligação de hidrogênio ( H- ligação ) entre duas moléculas induz a formação de outra, desencadeando uma espécie de reação em cadeia . Cada domínio tem uma estrutura semelhante à do gelo; de acordo com uma pesquisa americana, em temperaturas entre 0 e 100 ° C e pressão atmosférica, cada molécula de água é cercada em média por 4,7 outras moléculas [41] e a distância entre dois átomos de oxigênio de moléculas adjacentes é de cerca de 3 Å , tornando curto - Interações variadas muito influentes. Em particular, cada molécula de água estabelece, nas condições acima mencionadas, cerca de 1,35 ligações de hidrogênio com moléculas de água vizinhas. [41] A existência desses domínios confere à água um alto grau de estruturação, o que determina muitas características peculiares.

O tempo médio de vida de um domínio é um tópico muito controverso e debatido; deixando de lado as controvérsias mais ou menos recentes sobre a chamada "memória da água", acredita-se que a vida média de um domínio seja da ordem de 0,1 ns , mas existem teorias e evidências experimentais segundo as quais poderia ser muito mais tempo, isto é, alguns segundos ou mais; de acordo com outras pesquisas, porém, seria bem mais curto, da ordem de 50 fs . Além disso, verificou-se recentemente que os processos de relaxamento na água ocorrem em diferentes escalas de tempo; isso significa que coexistem diferentes agregados moleculares, cada um com sua própria estrutura, o que dá origem a um quadro extremamente complexo. [43] [44] [45] [46] [47]

Esfera de hidratação em torno de um íon de sódio

As macromoléculas biológicas e as estruturas supramoleculares interagem com as moléculas de água próximas ( água de hidratação ), modificando algumas de suas características e, por sua vez, passando por mudanças em suas características. As moléculas de água da camada de hidratação , por exemplo, têm uma orientação preferencial e uma liberdade limitada de movimento de rotação e translação, o que faz com que os tempos de correlação passem de 10 −12 s de água pura para 10 −6 ÷ 10 - 9 s do água das conchas de hidratação. [48]

A água forma clatratos hidratados , consistindo em "gaiolas" de moléculas de água envolvendo moléculas ou íons estranhos. Além do interesse por sua estrutura, que ilustra a organização que pode impor a ligação de hidrogênio, os clatratos hidratados costumam ser tomados como um modelo da maneira como a água parece se organizar em torno de grupos apolares, como os das proteínas .

Alguns compostos iônicos formam clatratos hidratados nos quais o ânion é incorporado à estrutura das ligações de hidrogênio. Este tipo de clatratos freqüentemente ocorre com aceitadores de ligações de hidrogênio muito fortes, como F - e OH - . As moléculas de água também medeiam algumas redes de ligações de hidrogênio intracadeia e intercadeia, contribuindo para a estabilização e dobramento do colágeno , que é uma das proteínas mais importantes da natureza.

Água como solvente

Mistura homogênea (solução) de água e sal

Quimicamente, a água é um bom solvente . [49] As propriedades solventes da água são essenciais para os seres vivos, pois permitem que as reações químicas complexas que formam a base da própria vida (por exemplo, aquelas que ocorrem no sangue ou no citoplasma da célula ) ocorram.

O comportamento solvente da água é determinado pela polaridade de sua molécula: quando um composto iônico ou polar é dissolvido em água, ele é rodeado por moléculas de água, que são inseridas entre um íon e outro ou entre uma molécula e outra de soluto ( graças ao seu pequeno tamanho), orientando-se de modo a apresentar a cada íon (ou extremidade polar) do soluto a parte de si que carrega a carga oposta; isso enfraquece a atração entre os íons (ou entre as moléculas polares) e quebra a estrutura do cristal; 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).
  3. ^ a b c ( EN ) National Institute of Standards and Technology, "Isothermal Properties for Water" , su webbook.nist.gov .
  4. ^ a b Fabbri .
  5. ^ Mazza .
  6. ^ Tabella viscosità cinematica di alcuni fluidi a diverse temperature , su engineerplant.it .
  7. ^ A. Pavan, R. Frassine, 4.1 Progettazione idraulica , in Tubazioni in polietilene per il trasporto di acqua , Milano, Springer, 2005, p. 27, 88-470-0268-0.
  8. ^ Sigma Aldrich; rev. del 03.07.2012
  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 .
  11. ^ Celsius .
  12. ^ Nicholson .
  13. ^ ( EN ) Gilbert N. Lewis, The isotope of hydrogen , in Journal of the American Chemical Society , vol. 55, n. 3, marzo 1933, pp. 1297-1298, DOI : 10.1021/ja01330a511 . URL consultato il 14 agosto 2009 .
  14. ^ ( EN ) Denis Rousseau, Case Studies in Pathological Science , in American Scientist , vol. 80, n. 1, gennaio 1992, pp. 54-63. URL consultato il 14 agosto 2009 .
  15. ^ ( EN ) Henry H. Bauer, "Pathological Science" is not Scientific Misconduct (nor is it pathological) , in International Journal for Philosophy of Chemistry , vol. 8, n. 1, 2002, pp. 5-20. URL consultato il 14 agosto 2009 .
  16. ^ ( EN ) Felix Franks, David Eisenberg, A Scientific Gold Rush. (Book Reviews: Polywater) , in Science , vol. 213, n. 4512, settembre 1981, pp. 1104-1105. URL consultato il 14 agosto 2009 .
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Bibliografia

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