“L’acqua è vita”, una realtà che ormai diamo per scontato senza chiederci il perché l’acqua sia così importante per l’uomo e tutti gli altri esseri viventi sulla Terra e per la Terra stessa. Ma come può una molecola così piccola essere così importante per la vita? Una domanda che non ci si pone spesso, forse, perché impariamo a conoscere le proprietà dell’acqua nei singoli ambiti di interesse senza focalizzare il fatto che ciò che rende l’acqua così speciale è la sua struttura. Vediamo insieme la struttura dell’acqua per arrivare a conoscere e capire le caratteristiche e proprietà che la rendono unica, vitale e preziosa!

La struttura molecolare dell’acqua

Innanzitutto per capire il comportamento chimico, chimico-fisico e anche biochimico dell’acqua bisogna conoscere la sua struttura molecolare. Una molecola d’acqua è nello specifico costituita da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno e infatti viene indicata con il simbolo H2O, la sua forma bruta. In realtà, i componenti dell’acqua si dispongono in una struttura tridimensionale “a forcella” con un angolo di legame di 104,5°, il risultato delle forze attrattive e repulsive degli atomi che la costituiscono e dei loro elettroni. In particolare, i due atomi di idrogeno si legano a un atomo di ossigeno ognuno attraverso un legame covalente in cui condividono un proprio elettrone per raggiungere la stabilità. Ma cosa rende la struttura molecolare dell’acqua tanto particolare?

In generale, la struttura di una molecola dipende da:

  • Lunghezza del legame covalente, ovvero la distanza tra i due atomi uniti nel legame covalente determinata dalle forze di attrazione e repulsione tra gli stessi. Tali forze sono condizionate a loro volta da:
    • Tipo di atomi, in particolare la lunghezza del legame covalente aumenta 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, 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.

Quando si parla nello specifico 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 due coppie di elettroni si crea una struttura lineare con un angolo di legame di 180°. La molecola d’acqua però non contiene solo le due 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, due condivise con l’ossigeno e due libere. In tale situazione, ovvero in presenza di 4 coppie di elettroni, 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° e tale caratteristica è dovuta alle forze di attrazione e repulsione esercitate dalle due 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 dell’acqua  assume la sua tipica struttura a forcella o struttura ripiegata. Dalla struttura molecolare passiamo ora a scoprire le altre caratteristiche dell’acqua!

Altre caratteristiche della molecola d’acqua

La molecola d’acqua oltre alla struttura presenta altre caratteristiche peculiari:

Dimensione della molecola acqua

La molecola d’acqua ha un diametro di 0,2 nanometri . È talmente piccola che in una goccia d’acqua possono essere presenti fino 1000 miliardi di miliardi di molecole d’acqua, ovvero 200 miliardi per ogni uomo presente sulla Terra.

Peso molecolare acqua

La molecola dell’acqua ha un peso molecolare pari a 18,01528 g/mol, dato dalla somma della massa degli atomi che la costituiscono. Abbiamo visto che la molecola d’acqua è costituita da 1 atomo di ossigeno con una massa atomica di 16 g e 2 atomi di idrogeno, con un peso atomico pari a 1 g ciascuno. Per semplificare la spiegazione, la massa molecolare dell’H2O è quindi data dalla somma delle masse atomiche dei suoi atomi: 1g + 1g + 16g = 18 g/mol. Tale valore è importante per bilanciare le reazioni chimiche che utilizzano o liberano una o più molecole di acqua al fine di capire quanta acqua bisogna aggiungere o quanta se ne produce.

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), ragion per cui gli elettroni condivisi dai due atomi di idrogeno tendono a orbitare in prossimità dell’ossigeno. Il risultato è che l’atomo di ossigeno è leggermente caricato negativamente (-0,82) mentre i due atomi di idrogeno presentano una parziale carica positiva (+0,41 per ognuno). La molecola d’acqua sembrerebbe neutra ma non è così. Entrano ancora una volta in gioco le forze attrattive e repulsive tra gli elettroni che, oltre a determinare la sua particolare struttura ripiegata, rendono la molecola d’acqua polare, un vero e proprio dipolo elettrico e non solo. I due elettroni non condivisi che orbitano attorno all’ossigeno possono legare altri 2 idrogeni attraverso il legame idrogeno. Il legame  idrogeno è un legame più debole di quello covalente ma quando coinvolge diverse molecole d’acqua vicine si crea un reticolo di legami ad elevata potenza, una vera e propria aggregazione di forze o energie dinamiche che rendono conto delle 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 rendendo l’acqua una sostanza “dinamica” e caratterizzata da caratteristiche e proprietà uniche che la rendono speciale. La dinamicità dei legami idrogeno rende conto ad esempio delle sue caratteristiche di coesione e adesione. L’acqua infatti è caratterizzata da una grande forza di coesione tra le sue molecole che tendono ad aggregarsi attraverso la continua formazione di legami idrogeno. La dinamicità dei legami idrogeno inoltre permette all’acqua di scorrere sulle superfici polari ma anche di aderire ad esse grazie alla creazione e disgregazione in continuo di deboli legami ionici polari. Questa è la ragione per cui l’acqua bagna le superfici con cui viene a contatto. E potremmo elencare molte altre proprietà che rendono l’acqua anomala rispetto ad altre sostanze, unica e preziosa. Ne vediamo insieme alcune!

  • Polarità dell’acqua che 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 due 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. 
  • Tensione superficiale acqua che si distingue da altre sostanze per essere molto elevata: 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. Tale proprietà è dovuta alla forze di coesione tra le molecole per cui l’acqua spesso si presenta 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 proprio grazie alla coesione tra le sue molecole. Ecco perché 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 che sotto un piccolo peso resiste formando solo una leggera curvatura. 
  • Capillarità dell’acqua è definita come la sua capacità di scorrere in spazi molto stretti. Addirittura tale proprietà permette all’acqua di risalire verso l’alto capillari di vetro o fenditure del diametro di pochi millimetri presenti nella roccia. Ma soprattutto, proprio grazie alla capillarità, l’acqua viene assorbita dalle piante e distribuita lungo il loro fusto fino alle foglie. La capillarità dell’acqua è dovuta alla contemporanea presenza di forze di coesione tra le molecole d’acqua e di quelle di adesione con le superfici con cui vengono in contatto.
  • Capacità termica dell’acqua che è tra le più elevate rispetto a quella di altre sostanze, ad esempio è il doppio di quella dell’alcol, il quadruplo di quella dell’aria e 10 volte quella del ferro! La capacità termica è la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza di un grado e con l’acqua ci vuole molta energia. In pratica l’acqua è molto resistente ai cambiamenti di temperatura e ancora una volta entrano in gioco con forza i legami idrogeno tale sue molecole che tutti insieme sono proprio difficili da rompere. L’elevata capacità termica permette di mantenere abbastanza controllata l’escursione termica dei mari e dei laghi passando dal giorno alla notte, così come la temperatura interna degli organismi viventi.
  • L’acqua è un solvente molto versatile proprio grazie alla sua polarità che le permette di dissolvere molte sostanze polari e ioniche. Ad esempio, la capacità dell’acqua di fungere da solvente unita alla sua capillarità le permette negli anni di scorrere tra le rocce e di arricchirsi dei loro minerali fino a formare sorgenti o falde di acque minerali, proprio quelle da cui gli acquedotti attingono per portare nelle nostre case acqua potabile.
  • Densità acqua che tende a diminuire passando dallo stato liquido a quello solido, un’anomalia rispetto ad altre sostanze. La densità è il rapporto tra peso/volume e nella maggior parte dei liquidi tende ad aumentare con l’abbassamento della temperatura. Nel caso dell’acqua fino a 4°C segue la regola ma al di sotto la densità inizia ad aumentare. La minor densità del ghiaccio rispetto all’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 di distanziano ulteriormente assumendo una struttura cristallina esagonale che aumenta il suo volume e quindi diminuisce la sua densità.

 

Abbiamo visto che la molecola d’acqua presenta caratteristiche che la rendono unica e non solo. 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 della Terra stessa. Alla fine 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!

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