L’acqua è la sostanze più straordinaria che esista sulla Terra; da essa dipendono la vita, le stagioni, la bellezza - e tutto questo è dovuto alla sua struttura, alla sua formula (una delle poche cose che quasi tutti ricordano della "chimica" studiata a scuola) che è H2O; l’acqua è perciò costituita da due atomi di idrogeno, H, uniti ad un atomo di ossigeno, O: H-O-H.
Gli atomi sono legati fra loro da forze che chiameremo, per semplicità, "legami": è come se l’atomo di ossigeno legasse a se - con una specie di filo immaginario - un atomo di idrogeno da una parte e l’altro atomo di idrogeno dall’altra. I moderni strumenti consentono oggi di misurare con grande precisione sia la distanza fra ciascun atomo di idrogeno e quello di ossigeno (poco meno di 100 miliardesimi di millimetro), sia il modo in cui gli atomi idrogeno-ossigeno-idrogeno sono disposti nello spazio, a V con un angolo di circa 105 gradi.
Ma l’esame di una sola molecola fornisce ben poche informazioni; un grammo di acqua contiene migliaia di miliardi di miliardi di molecole (esattamente 33 x 1021 molecole) disposte in tutte e tre le direzioni dello spazio.
Un esame più accurato mostra che ciascun atomo di idrogeno è legato non solo con un "filo" all’atomo di ossigeno della sua molecola, ma - come dire? - con fili più sottili e lunghi con gli atomi di ossigeno delle molecole di acqua adiacenti. è come se l’acqua fosse un grande aggregato in cui tutti gli atomi sono legati a quelli vicini sia con legami "normali", sia con "legami idrogeno", detti anche "ponti" di idrogeno. Questi legami assicurano un grande "ordine" alle molecole; se non ci fossero, l’acqua a temperatura ambiente non sarebbe un liquido, ma un gas e non esisterebbe né nessuno di noi, né nessuna forma di vita.
Infatti gli atomi di idrogeno dell’acqua formano dei "legami idrogeno" anche con gli atomi di ossigeno di qualsiasi molecola con cui l’acqua venga a contatto L’esistenza dei legami idrogeno permette di comprendere molti importanti fatti della natura, legati, direttamente o indirettamente, alla vita.
Prendiamo, per esempio, un pezzo di vetro e appoggiamo sopra il vetro una goccia di acqua; se il vetro è pulito l’acqua si stende in un sottilissimo strato. Il vetro è composto principalmente da silice, SiO2, una molecola costituita da un atomo di silicio che lega due atomi di ossigeno, molto ricca, cioè, di ossigeno; gli atomi di idrogeno dell’acqua, che hanno, come si è detto, una grande attrazione, per l’ossigeno, tendono a formare dei legami idrogeno con gli atomi di ossigeno della silice del vetro e si stendono quanto più possibile sulla superficie del vetro. Potremmo dire, un po’ scherzando, che gli atomi di idrogeno "amano" gli atomi di ossigeno della silice, che l’acqua "ama" il vetro e quindi tende ad aderire il più possibile ad esso. Un po’ più seriamente si dice che l’acqua "bagna" il vetro.
Facciamo lo stesso esperimento con un foglio di plastica: si vede che la goccia di acqua resta compatta, come una piccola sfera, non si disperde sulla plastica e non la "bagna"; la maggior parte dellematerie plastiche, infatti, sono costituite da molecole ricche di idrogeno e carbonio e povere o prive di ossigeno, e quindi gli atomi di idrogeno non sanno a chi attaccarsi al di fuori degli atomi di ossigeno delle altre molecole di acqua. La forma sferica della goccia d’acqua è anzi quella che corrisponde al massimo grado di aderenza "interna" degli atomi di idrogeno e di ossigeno e al massimo grado di repulsione verso le molecole esterne.
Queste proprietà dell’acqua hanno una grande importanza pratica: se si osserva la pioggia che cade sul terreno si vede che l’acqua si infiltra nel terreno, fatto di argille che sono silicati, e di carbonati, tutti materiali ricchi di ossigeno.
L’acqua aderisce bene, quindi, alle molecole dei costituenti del suolo e, anche per la forza di caduta di ciascuna goccia d’acqua, aggredisce e disgrega le rocce e i minerali del suolo stesso, un fenomeno che prende il nome di erosione. Le particelle che si formano dalla disgregazione dei componenti del terreno vengono tenute in sospensione dall’acqua che le trascina a valle.
Nei miliardi di anni della storia della Terra l’acqua lentamente ha attaccato e disgregato anche le rocce più dure e resistenti: i prodotti dell’erosione delle rocce, trascinati in basso, hanno lentamente formato le grandi pianure alluvionali, in genere fertili e "bagnate" da fiumi e laghi. Per lo stesso meccanismo, l’acqua si raccoglie in mezzo alle rocce del sottosuolo formando le falde acquifere da cui si generano le sorgenti e i fiumi, una delle principali fonti dell’acqua utile per le nostre necessità.
Il petrolio e gli idrocarburi, invece, non avendo atomi di ossigeno e quindi non avendo affinità per l’acqua, con cui anzi non si miscelano, si aggregano in grandi depositi o sacche sotterranei e qui li troviamo, capricciosamente distribuiti nelle varie parti del pianeta, in generale "galleggianti" sull’acqua sotterranea.
Ma le strane proprietà dell’acqua non sono finite. Noi pensiamo l’acqua generalmente allo stato liquido, una forma che l’acqua possiede fra le temperature di zero gradi Celsius (°C) e di 100 °C; a temperatura inferiore a 0 °C, alla pressione atmosferica (101 kilopascal, o 1,00 bar, o, come si diceva una volta, 760 millimetri di mercurio), l’acqua è allo stato solido e, al di là di 100 °C, è allo stato di vapore. Se la pressione che sovrasta l’acqua è superiore a quella atmosferica, l’acqua, entro certi limiti, può esistere allo stato liquido anche a temperature superiori a 100 °C. Però l’acqua è sempre allo stato di vapore al di là del "punto critico", che corrisponde alla temperatura di 374 °C e alla pressione di circa 22 megapascal (217,7 atmosfere).
La massa volumica, cioè il peso dell’unità di volume, dell’acqua liquida è circa 1 kilogrammo per decimetro cubo. Tale massa volumica è esattamente 1,00 kg/dm3 alla temperatura di 4 °C. A temperature superiori l’acqua aumenta di volume e quindi la sua massa volumica diminuisce; lo stesso avviene nell’intervallo fra 4 e zero °C. Nel passare dallo stato liquido allo stato solido l’acqua aumenta bruscamente di volume: il ghiaccio ha una massa volumica di 0,92 kg/dm3 e questo spiega perché il ghiaccio galleggia sull’acqua. L’aumento di volume, a parità di peso, dell’acqua quando si trasforma in ghiaccio spiega anche l’eccezionale forza di disgregazione del ghiaccio nelle rocce terrestri.
Quando il ghiaccio fonde, l’acqua liquida trascina a valle rapidamente i detriti della disgregazione, per cui i ghiacciai hanno avuto, nel loro ciclico avanzare e ritirarsi durante le numerose glaciazioni, un ruolo decisivo nella formazione delle pianure alluvionali.
L’acqua aumenta di volume anche quando passa allo stato di vapore. Un kilogrammo di acqua, che occupa un decimetro cubo di volume quando è liquida, occupa un volume di 1100 dm3 quando diventa vapore. A questa forte espansione dell’acqua è dovuta la possibilità di usare il vapore acqueo come forza motrice in tutte le macchine termiche, come quelle che alimentano le centrali elettriche.
La massa volumica del vapore acqueo è, a parità di temperatura, circa due terzi rispetto a quella dell’aria (rispettivamente tali masse volumiche sono di 0,8 e 1,3 kg/m3 a zero °C), e quindi il vapore acqueo, più "leggero", tende a salire negli strati alti dell’atmosfera.
Come avviene per tutti i corpi, anche per l’acqua il passaggio da uno stato fisico all’altro - da ghiaccio a liquido, da liquido a gas, e viceversa - comporta uno scambio di energia. Si chiama calore latente (cioè nascosto dentro ciascuna molecola) di fusione o di solidificazione la quantità di energia corrispondente alla transizione dallo stato solido a quello liquido e viceversa. Il calore latente di fusione a 0 °C è di 0,34 megajoule per kilogrammo (79,7 kilocalorie per kilogrammo), il che significa che occorre fornire questo calore a un kilogrammo di ghiaccio perché si trasformi in acqua liquida. Inutile dire che occorre sottrarre la stessa quantità di energia, mediante raffreddamento, per trasformare un kg di acqua liquida in ghiaccio.
Il calore latente di evaporazione o condensazione è quello coinvolto nelle trasformazioni da liquido a vapore e viceversa. Il calore latente di evaporazione (o di condensazione) dell’acqua a 100 °C è di 2,26 MJ/kg (539,55 kcal/kg). Il calore latente di evaporazione varia a seconda della temperatura a cui l’evaporazione ha luogo. Come è ben noto, se si lascia l’acqua a se su una vasta superficie l’acqua passa allo stato di vapore anche a pochi gradi di temperatura, sè l’aria è capace di accogliere del vapore acqueo fra le sue molecole di azoto e di ossigeno.
A ciascuna temperatura l’aria è capace di contenere allo stato di vapore soltanto una certa quantità di acqua; quando l’aria contiene la massima quantità possibile di vapore acqueo si dice che l’aria è "satura" di acqua, o satura di umidità.
Quando l’acqua evapora a temperature inferiori a
100 °C occorre più energia rispetto a quando evapora a
100 °C. Come ordine di grandezza il calore latente di evaporazione
dell’acqua, in megajoule/kg (fra parentesi in kilocalorie/kg), risulta 2,5
(595,4) a 0 °C; 2,45 (585) a 20 °C; 2,4 (574) a 40 °C e, come si è già detto,
2,26 (539,55) a 100 °C. L’acqua è una delle sostanze con più elevato calore
latente di evaporazione, una proprietà, come vedremo, molto importante nel
ciclo naturale dell’acqua.
