“L’acqua è vita”, un’affermazione che ormai diamo per scontata, senza chiederci il perché l’acqua sia così importante per l’uomo e per tutti gli altri esseri viventi sulla Terra e per il Pianeta stesso. Ma come può la molecola dell’acqua così piccola essere tanto importante per la vita? 

Si tratta di una domanda che non ci si pone spesso, forse, perché impariamo a conoscere le proprietà dell’acqua nei singoli ambiti di interesse, senza pensare che ciò che rende l’acqua così speciale è la sua struttura. Vediamo insieme le caratteristiche delle molecole d’acqua, per comprendere meglio le proprietà che rendono unica l’H2O, una molecola vitale e preziosa!

La struttura della molecola H2O dell’acqua

Innanzitutto, per capire il comportamento chimico, chimico-fisico e anche biochimico dell’acqua bisogna conoscere la sua struttura molecolare. Partiamo dal significato di H2O. Gli atomi dell’acqua che compongono una molecola H2O sono costituiti da 2 atomi di idrogeno e 1 atomo di ossigeno, per questo motivo viene indicata con il simbolo H2O. 

In realtà, gli elementi che costituiscono la molecola d’acqua si dispongono in una struttura tridimensionale “a forcella”, mentre l’angolo di legame dell’acqua è di 104,5°. I legami H2O sono il risultato delle forze attrattive e repulsive degli atomi che la costituiscono e dei loro elettroni. 

In particolare, i 2 atomi di idrogeno si legano a 1 atomo di ossigeno ognuno attraverso un legame covalente, condividendo un proprio elettrone per raggiungere una condizione di stabilità. Ma cosa rende la struttura molecolare dell’acqua tanto particolare?

In generale, la struttura di una molecola dipende da alcuni fattori:

  • Lunghezza del legame covalente, ossia la distanza tra i 2 atomi uniti nel legame covalente determinata dalle forze di attrazione e repulsione tra gli stessi. Queste forze sono condizionate a loro volta da:
  • Tipo di atomi, in particolare la lunghezza del legame covalente cresce all’aumentare delle dimensioni dei due atomi;
  • Forza di legame, che è inversamente proporzionale alla lunghezza del legame tra i due atomi, ovvero più gli atomi sono vicini più il loro legame è forte.
  • Angolo di legame, che secondo la teoria VSEPR (Valence Shell Electron-Pair Repulsion, ovvero la teoria della repulsione delle coppie di elettroni del “guscio” di valenza) è il risultato delle forze attrattive e repulsive degli elettroni esterni che costituiscono la molecola, sia quelli condivisi nel legame covalente che quelli liberi.

Nello specifico, quando si parla della molecola dell’acqua si evidenzia una lunghezza di legame pari a 0,9584 A, ovvero gli atomi di idrogeno e ossigeno creano un legame abbastanza forte, ma non troppo. 

Secondo la teoria VSEPR, in una molecola costituita da 3 atomi l’angolo di legame dipende dal numero di doppietti di elettroni presenti nell’atomo centrale, sia condivisi che liberi. In presenza di 2 coppie di elettroni si crea una struttura lineare con un angolo di legame di 180°. La molecola dell’acqua, però, non contiene solo le 2 coppie di elettroni condivisi nei legami covalenti tra l’ossigeno e i 2 atomi di idrogeno. 

L’ossigeno, infatti, presenta ben 4 coppie di elettroni, 2 condivise con l’ossigeno e 2 libere. In tale situazione, secondo la teoria VSEPR la struttura di una molecola assume una forma tetraedrica con angoli di legame di 109°. Come abbiamo visto, però, la molecola d’acqua presenta un angolo di legame di 104,5°, una caratteristica dovuta alle forze di attrazione e repulsione esercitate dalle 2 coppie di elettroni dell’ossigeno non condivise. 

Queste coppie sono fortemente attratte dal nucleo dell’atomo di ossigeno, ma allo stesso tempo tendono ad allontanare gli elettroni condivisi nel legame covalente con l’idrogeno, restringendo l’angolo di legame che diventa di 104,5° invece che 109. 

In tal modo, la struttura di una molecola d’acqua assume la sua tipica struttura a forcella o struttura ripiegata. Ora che abbiamo chiarito la struttura molecolare dell’acqua, vediamo quali sono le altre caratteristiche di una molecola H2O.

Altre caratteristiche della molecola d’acqua

Oltre alla struttura, esistono altre caratteristiche importanti della molecola d’acqua piuttosto peculiari che bisogna conoscere, per capire una serie di proprietà specifiche dell’acqua che la rendono così unica e speciale. Ecco tutto quello che bisogna sapere a riguardo. 

La dimensione della molecola acqua

Le dimensioni di una molecola dell’acqua sono nanometriche, ossia nella scala dei miliardesimi di metro. Una molecola H2O infatti ha un diametro di 0,2 nanometri, ovvero appena 0,0000000002 metri. È talmente piccola che in una goccia d’acqua possono essere presenti fino 1.000 miliardi di miliardi di molecole d’acqua, ovvero 200 miliardi per ogni uomo presente sulla Terra.

Il peso molecolare dell’acqua

Il peso molecolare dell’H2O è pari a 18,01528 g/mol, un valore dato dalla somma della massa degli atomi che la costituiscono. Il g/mol è l’unità di misura della massa molecolare, una grandezza fisica che indica la massa espressa in grammi di una mole di una determinata sostanza.

La massa di 1 mole di sostanza equivale alla massa in grammi di 6,022·10²³ particelle di sostanza. Abbiamo visto che la molecola d’acqua è costituita da 1 atomo di ossigeno con una massa atomica di 16g e da 2 atomi di idrogeno con un peso atomico pari a 1g ciascuno. 

Per semplificare, la massa molare dell’H2O (la massa molare è la stessa grandezza fisica della massa molecolare, cambia appena la sua unità di misura) è data dalla somma delle masse atomiche dei suoi atomi: 1g + 1g + 16g = 18 g/mol. Questo valore è importante per bilanciare le reazioni chimiche che utilizzano o liberano una o più molecole di acqua, per capire quanta acqua bisogna aggiungere o quanta se ne produce in determinati processi.

La molecola d’acqua è un dipolo elettrico

La distribuzione degli elettroni condivisi e liberi nella molecola d’acqua ne determina non solo la particolare struttura ripiegata, ma anche le sue peculiari caratteristiche. L’atomo di ossigeno è caratterizzato da un’elevata capacità di attrarre gli elettroni (elettronegatività), per questo gli elettroni condivisi dai 2 atomi di idrogeno tendono ad orbitare in prossimità dell’ossigeno.

Il risultato è che l’atomo di ossigeno della molecola dell’acqua è leggermente caricato negativamente (-0,82), mentre i 2 atomi di idrogeno presentano una parziale carica positiva (+0,41 per ognuno). 

La molecola H2O sembrerebbe neutra ma non è così, infatti l’acqua è una molecola polare. Il motivo per cui l’acqua è polare è legato ancora una volta alle forze attrattive e repulsive tra gli elettroni. 

Queste dinamiche, oltre a determinare la particolare struttura ripiegata della molecola H2O, rendono la molecola d’acqua polare, ossia un vero e proprio dipolo elettrico, un sistema costituito da 2 cariche elettriche puntiformi uguali e di segno opposto situate a una breve distanza fra loro. 

Inoltre, i 2 elettroni non condivisi che orbitano attorno all’ossigeno possono legare altri 2 idrogeni attraverso il legame idrogeno. Il legame idrogeno dell’acqua è un legame più debole di quello covalente, in cui 2 atomi condividono delle coppie di elettroni, ma quando coinvolge diverse molecole d’acqua vicine si crea un reticolo di legami ad elevata potenza. Si tratta di una vera e propria aggregazione di forze o energie dinamiche, un aspetto che spiega numerose caratteristiche e proprietà che rendono l’acqua una sostanza unica.

Proprietà dell’acqua: alla scoperta di alcune peculiarità dell’acqua

I legami idrogeno tra molecole d’acqua si formano, si rompono e si riformano in millisecondi, una caratteristica che rende l’acqua una sostanza “dinamica” e dunque davvero speciale. 

Per esempio, la dinamicità dei legami idrogeno rende conto delle sue caratteristiche di coesione e adesione. L’acqua infatti è caratterizzata da una grande forza di coesione tra le sue molecole, le quali tendono ad aggregarsi attraverso la continua formazione di legami idrogeno. 

Inoltre, la dinamicità dei legami idrogeno permette all’acqua di scorrere sulle superfici polari e di aderire ad esse, grazie alla continua creazione e disgregazione di deboli legami ionici polari. 

Questa è la ragione per cui l’acqua bagna le superfici con cui viene a contatto. Ovviamente potremmo elencare molte altre proprietà che rendono l’acqua anomala rispetto ad altre sostanze, unica e preziosa. Vediamone insieme alcune.

Perché l’acqua è polare?

La polarità dell’acqua deriva proprio dal fatto che è composta da molecole polari. Abbiamo visto che, pur non essendoci carica netta in una molecola d'acqua, si crea una carica leggermente positiva sui 2 atomi di idrogeno e una carica leggermente negativa sull'ossigeno, contribuendo alle proprietà di attrazione dell’acqua derivate dalla formazione di legami idrogeno tra le diverse molecole d’acqua.

La tensione superficiale dell’acqua

La tensione superficiale dell’acqua si distingue da quella di altre sostanze per essere molto elevata, nello specifico 10 volte superiore rispetto a quella ipotizzata in base alla teoria e superiore a quella di tutti gli altri liquidi, ad eccezione del mercurio. 

La tensione superficiale è la tendenza di un liquido, sottoposto alla forza di gravità, di occupare il minor spazio possibile quando viene a contatto con una superficie, assumendo generalmente la forma sferica. 

Questa proprietà è dovuta alle forze di coesione tra le molecole, per questo motivo l’acqua si presenta spesso in gocce su qualsiasi superficie. Quando però l’acqua si trova dentro un secchio o in una pozzanghera, a livello della superficie di separazione acqua-aria tende a formare una specie di membrana elastica in tensione grazie alla coesione tra le sue molecole. È il motivo per cui i piccoli insetti leggeri come l’idrometra non affondano sul pelo dell’acqua, ma addirittura camminano o pattinano su di essa come se fosse una membrana elastica, in grado di resistere a peso lieve formando solo una leggera curvatura.

La capillarità dell’acqua

La capillarità dell’acqua è definita come la sua capacità di scorrere in spazi molto stretti. Addirittura, questa proprietà permette all’acqua di risalire verso l’alto i capillari di vetro o le fenditure del diametro di pochi millimetri presenti nella roccia. 

Inoltre, proprio grazie alla sua capillarità, l’acqua viene assorbita dalle piante e distribuita lungo il loro fusto fino alle foglie. La capillarità dell’acqua è dovuta alla presenza in contemporanea di forze di coesione tra le molecole d’acqua e di adesione con le superfici con cui vengono in contatto.

La capacità termica dell’acqua

La capacità termica dell’acqua è tra le più elevate rispetto a quella di altre sostanze, infatti è il doppio di quella dell’alcol, il quadruplo di quella dell’aria e 10 volte quella del ferro. La capacità termica indica la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza di 1 grado, un processo che con l’acqua richiede molta energia. 

Ne consegue che l’acqua è molto resistente ai cambiamenti di temperatura, una caratteristica sempre legata ai legami idrogeno tra le sue molecole che, tutti insieme, sono particolarmente difficili da rompere. 

L’elevata capacità termica dell’acqua permette di mantenere abbastanza controllata l’escursione termica dei mari e dei laghi tra il giorno e la notte, così come la temperatura interna degli organismi viventi.

L’acqua come solvente

L’acqua è un solvente molto versatile grazie alla sua polarità, infatti può dissolvere molte sostanze polari e ioniche. 

Per esempio, la capacità dell’acqua di fungere da solvente, unita alla sua capillarità, le permette negli anni di scorrere tra le rocce e arricchirsi dei loro minerali fino a formare sorgenti o falde di acque minerali. Si tratta proprio di quelle sorgenti e falde da cui gli acquedotti attingono, per portare nelle nostre case acqua potabile di qualità.

La densità dell’acqua

La densità dell’acqua tende a diminuire passando dallo stato liquido a quello solido, un’anomalia rispetto ad altre sostanze. 

La densità è il rapporto tra il peso e il volume di una sostanza, un rapporto che nella maggior parte dei liquidi tende ad aumentare con l’abbassamento della temperatura. Nel caso dell’acqua, invece, fino a 4°C aumenta, ma al di sotto dei 4°C la densità inizia a ridursi. 

La minore densità del ghiaccio rispetto a quella dell’acqua liquida è il motivo per cui il primo galleggia sul secondo. Questa anomalia dell’acqua deriva dal fatto che quando congela le sue molecole allo stato solido si distanziano ulteriormente, assumendo una struttura cristallina esagonale, una caratteristica che ne aumenta il volume e ne diminuisce la densità.

Abbiamo visto che la molecola d’acqua presenta caratteristiche che la rendono unica. Le molecole d’acqua, unite da legami idrogeno dinamici, donano all’acqua proprietà chimiche, fisiche e biochimiche peculiari che la rendono essenziale per la vita sulla Terra e per il Pianeta stesso. La chimica, la fisica e la biochimica ci insegnano che non è un caso che l’uomo e tutti gli altri esseri viventi siano composti per almeno il 70% di acqua e che la Terra stessa sia ricoperta per più del 70% di acqua!