L'acqua e le sue proprietà
Le proprietà dell'acqua
La vita nelle forme in cui la conosciamo non potrebbe
esistere senza acqua. Tutte le cellule, sia di organismi acquatici che
terrestri, contengono più del 70% di acqua. La sua molecola ha proprietà inusuali
quando le si mettono a confronto con quelle di molecole simili in struttura o
dimensione come NH3, HF or H2S.
- Punto di ebollizione
più alto
- punto di fusione più
alto
- tensione superficiale
più elevata
- più alto calore di
vaporizzazione
Tutte queste proprietà indicano che le interazioni tra le
singole molecole d'acqua devono essere insolitamente più forti.
La struttura ed il legame ad Idrogeno
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L'angolo di legame della
molecola d'acqua, 104,5° e la differenza di elettronegatività tra H ed O
conferisce una forte caratteristica ionica al legame OH che comporta a sua
volta un momento di dipolo elevato. La molecola d'acqua è una molecola
fortemente polare |
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Le proprietà uniche dell'acqua si originano dalle
interazioni tra l'H di una molecola e il doppietto solitario di elettroni di
un'altra molecola d'acqua. Questa interazione è chiamata legame ad
idrogeno. Queste interazioni possono originarsi in tutte le molecole in
cui sia presente un H su un gruppo donatore (-O-H or –N-H) ed un
doppietto solitario su un gruppo accettore (O=C, O-H). Importante è
che nel gruppo donatore ci sia un'appropriata differenza di elettronegatività
L'energia di un legame ad idrogeno è dell'ordine di @ 20
kJ/mol mentre quella di un legame O-H è 460 kJ/mol. Esso è comunque molto
importante per le biomolecole dal momento che esse presentano in genere molti
legami ad idrogeno che conferiscono così alta stabilità alla molecola. A
causa della sua polarità l'acqua da buone interazioni con gli ioni. |
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Dalla tabella di fianco si può notare
Si possono avere differenti gruppi donatori in Chimica
Organica: tutti devono presentare un H legato ad un atomo molto
elettronegativo; come pure per i gruppi accettori è importante la presenza di
doppietti elettronici solitari non coinvolti in legami.
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Proprietà
colligative
Le proprietà colligative sono proprietà delle soluzioni,
abbassamento del punto di congelamento, innalzamento del punto di ebollizione e
pressione osmotica, che dipendono dal nmumero di particelle di soluto presenti.
La pressione osmotica è particolarmente importante nei sistemi biologici. Si
sviluppa quando una membrana semipermeabile separa due soluzioni una delle
quali contiene un soluto che non può passare attraverso la membrana, come
accade nel caso di una cellula. L'acqua può attraversare la membrana e lo farà
passando nel compartimento dove è presente il soluto non permeabile nel
tentativo di uguagliare le attività ad entrambo i lati della membrama. Come si
vede dalla figura di seguito questo causerà un aumento della colonna d'acqua
sul lato che contiene il soluto. Si definisce pressione osmotica (p) la
pressione da esercitare per impedire che la colonna d'acqua si innalzi. Si
dimostra che p=RTm dove R è la costante dei gas, T la temperatura
espressa in °K m è la molalità, cioè moli di soluto/kg di solvente.
Per una cellula, se l'acqua entra nella cellula la soluzione
è detta Ipotonica cioè la concentrazione delle sostanze disciolte è minore
nella soluzione che nella cellula. La cellula tenderà ad espandersi ed
eventualmente scoppiare.
Se l'acqua esce dalla cellula, la soluzione è detta
ipertonica cioè concentrazione delle sostanze disciolte è maggiore nella
soluzione che nella cellula. La cellula si contrarrà.
L'acqua in natura
partecipa a vari fenomeni inclusi tutti in un ciclo.
A causa dell'irraggiamento solare le acque,superficiali, rappresentate da quasi 500.000 chilometri cubi, evaporano, andando successivamente a formare le nubi. Queste, venendo trasportate dal vento e per effetto delle variazioni di temperatura, si trasformano in acque meteoriche. La maggior parte di queste precipitazioni ovviamente, cade direttamente in mare: solo 111.000 chilometri cubi arrivano sulla terra. Di questi, 71.000 sono restituiti all'atmosfera attraverso l'evaporazione e la traspirazione, mentre 40.000 defluiscono attraverso i fiumi ed il flusso sotterraneo, ed in parte tornano al mare senza poter essere trattenute. Restano dunque circa 10.000 chilometri cubi di acqua dolce a disposizione dell'uomo, conquistati in parte grazie alla costruzione di dighe e sbarramenti ( anche se negli ultimi vent'anni si è cominciato a prestare maggiore attenzione ai costi economici, sociali ed ambientali di queste strutture).
H2O
E' formata da due atomi d'Idrogeno e da uno di Ossigeno.
L'acqua ha due coppie di elettroni di legame e due lone pair; l'angolo che si forma tra i due atomi d'idrogeno è di 105°:
Questa struttura è determinata dalla differenza dei valori di elettronegatività, che si instaura tra gli atomi di H e di O ( 2,1 contro 3,5). La nube elettronica costituita dagli elettroni di legame sarà pertanto più "spostata" sull'atomo di O ( rendendolo parzialmente negativo ) piuttosto che su quello di H ( parzialmente positivo ).
Tutto ciò determina la polarità della molecola dell'acqua. .
Donato
I legami idrogeno sono interazioni di natura
elettrostatica che si determinano tra le opposte cariche di due molecole
adiacenti.
La struttura dell'acqua, e quindi la sua polarità, determina la formazione di
legami tra le singole molecole : l'atomo d'idrogeno (fortemente polarizzato
positivamente) è attratto dall'ossigeno (fortemente polarizzato negativamente)
della molecola adiacente.
La
risultante è appunto la formazione di un ponte idrogeno tra due molecole
adiacenti di acqua.
Si forma, in tal modo, una sorta di macromolecola formata da numerosi ponti di
idrogeno.