L ACQUA. Per mezzo dell elettrolisi, l acqua si può decomporre e si ottengono altre due sostanze:

1

L’ACQUA

L’acqua è una delle sostanze più diffuse sulla terra: il volume totale è stimato in 1 360 000 000 km³, la maggior parte contenuta nei mari e negli oceani. L’acqua è indispensabile per la vita (anche il corpo umano è costituito in gran parte di acqua) e per tutte le attività produttive agricole e industriali.

Per mezzo dell’elettrolisi, l’acqua si può decomporre e si ottengono altre due sostanze:

l’ IDROGENO e l’ OSSIGENO

e, per esattezza, il volume dell’idrogeno è sempre esattamente il doppio di quello dell’ossigeno.

Queste due sostanze, a loro volta, non si possono più decomporre:

si tratta perciò di due elementi.

Tutti gli elementi sono identificati con un simbolo chimico:

il simbolo dell’IDROGENO è

mentre il simbolo dell’OSSIGENO è

L’acqua non è un elemento, perciò non ha un proprio simbolo, ma, come tutti i composti, viene indicata con una formula che indica quali sono gli elementi che la costituiscono.

La formula dell’acqua è

Un ELEMENTO è una sostanza che non si può decomporre in altre sostanze più semplici.

Un COMPOSTO è una sostanza formata dall’unione di più ELEMENTI.

L’acqua non è un ELEMENTO, ma un COMPOSTO

H O

H

O

Elettrolisi dell'acqua

2

Questa formula indica non solo che l’acqua è composta da idrogeno (H) e ossigeno (O), ma anche che l’idrogeno è presente in quantità doppia rispetto all’ossigeno, come specificato dal numero (2) dopo il simbolo dell’idrogeno.

Se potessimo osservare la materia ad enorme ingrandimento, potremmo vedere che l’acqua è costituita da tante piccole particelle (invisibili ad occhio nudo, ma anche ai più potenti microscopi) che vengono chiamate molecole.

Ogni molecola è costituita poi da particelle ancora più piccole, chiamate atomi.

Nel caso dell’acqua, la molecola è costituita da 3 atomi: 2 di idrogeno e 1 di ossigeno.

Perciò la formula H2O ci dice anche che ogni molecola di acqua è formata dall’unione di 2 atomi di idrogeno e di 1 atomo di ossigeno.

Molecola di acqua H

O H

Nell’elettrolisi le molecole dell’acqua vengono rotte e i singoli atomi tornano liberi: si ottiene però una quantità di idrogeno doppia dell’ossigeno, proprio perché in ogni molecola ci sono 2 atomi di idrogeno e un solo atomo di ossigeno.

Atomo di ossigeno Atomo di

idrogeno

Atomo di idrogeno

L’idrogeno e l’ossigeno non sono gli unici elementi. Esistono 88 elementi naturali, più un numero sempre crescente di elementi artificiali creati dalle reazioni nucleari, ed ognuno ha un proprio simbolo.

Ecco alcuni degli elementi più importanti:

Alluminio

Al

F

Pb

Argento

Ag

P

K

Azoto

N

H

Cu

Calcio

Ca

I

Si

Carbonio

C

Hg

Na

Cloro

Cl

Ne

U

Elio

He

Au

Zn

Ferro

Fe

O

S

Tutta la materia presente nell’intero universo, compresi gli esseri viventi, è formata dalla combinazione di questi elementi.

3

L’acqua, normalmente, è un liquido trasparente, incolore e inodore.

Se viene raffreddata può passare allo stato solido (ghiaccio), ma perché questo avvenga bisogna che la temperatura arrivi a

0 °C

Se invece viene riscaldata a

100 °C,

Naturalmente se il ghiaccio viene riscaldato al di

sopra di 0 °C, torna allo stato liquido

e la stessa cosa succede al vapore acqueo, raffreddato al di sotto di 100 °C

Riassumendo:

- l’acqua è allo stato liquido ad una temperatura compresa fra

0 °C

100 °C;

- è allo stato solido ad una temperatura inferiore a

0 °C;

- è allo stato aeriforme (o gassoso o di vapore) ad una temperatura superiore a

100 °C.

La temperatura di 0 °C è detta anche punto di fusione dell’acqua.

La temperatura di 100 °C è detta anche punto di ebollizione dell’acqua.

Tutto questo vale però solo per l’acqua pura e alla pressione atmosferica.

--->

--->

--->

--->

4

Se nell’acqua sono sciolte altre sostanze, in genere, il punto di fusione si abbassa e il punto di ebollizione si innalza.

Per esempio se si sciolgono in 100 g di acqua 35 g di sale da cucina (cloruro di sodio) la soluzione ottenuta rimane liquida molto al di sotto di 0 °C e solidifica solo a -21,3 °C: è questo il motivo per cui in inverno viene sparso il sale sulle strade al fine di evitare la formazione del ghiaccio.

Lo stesso fenomeno avviene se si aumenta la pressione (ad es. in autoclave l’acqua bolle a 120 – 130 °C).

Se invece la pressione diminuisce, il punto di ebollizione si abbassa (sul Monte Bianco l’acqua bolle a 84 °C) e il punto di fusione si innalza.

A pressione molto bassa (meno di un centesimo della pressione atmosferica) compare un nuovo fenomeno: la sublimazione, cioè la trasformazione diretta del solido (ghiaccio) in

vapore: in pratica a pressioni molto basse il liquido non esiste più.

5

L’esistenza di tre stati fisici (solido, liquido, gassoso) non è una caratteristica dell’acqua ma riguarda la maggior parte delle sostanze, anche se le temperature di fusione e di ebollizione possono essere molto diverse. Ad esempio:

il rame fonde a 1084 °C e bolle a 2360 °C;

il ferro fonde a 1535 °C e bolle a 2880 °C;

l’ossigeno fonde a -218,9 °C e bolle a -182,9 °C;

l’idrogeno fonde a -259 °C e bolle a -252,8 °C.

Nel solido le molecole sono strettamente “impacchettate” in modo estremamente regolare e lasciano pochissimo spazio vuoto. Non sono proprio ferme, ma hanno solo un moto vibratorio.

Nel liquido le molecole stanno ancora abbastanza vicine fra loro, ma si muovono e perciò non sono più disposte in modo regolare e lasciano un po’ di spazi vuoti.

Nel gas le molecole si muovono di più e sono molto più lontane le une dalle altre, per cui lo spazio vuoto è molto ampio.

In genere, considerando lo stesso volume, in un liquido ci sono meno molecole di quante ce ne siano in un solido (più spazio vuoto) e meno ancora ce ne sono in un gas.

In altre parole, di solito quando una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido la sua densità diminuisce; e diminuisce ancora di più quando passa dallo stato liquido allo stato gassoso.

L’acqua però rappresenta una eccezione: il ghiaccio ha una struttura particolare con molti spazi vuoti, che nel liquido, quando le molecole sono libere di muoversi,

vengono in parte occupati.

Dopo la fusione, l’acqua liquida ha così una densità maggiore del ghiaccio solido, perciò un blocco di ghiaccio sull’acqua liquida galleggia, essendo meno denso.

Per questo in inverno, anche quando uno specchio d’acqua ha la superficie completamente ghiacciata, resta sempre, al di sotto, un strato liquido nel quale possono

sopravvivere i pesci e gli altri esseri viventi.

Sempre per questo fenomeno, riempiendo completamente di acqua un bottiglia di vetro e lasciandola all’aperto d’inverno è possibile che la bottiglia si rompa: infatti, se la temperatura scende al di sotto di 0 °C, l’acqua congela, ma essendo il ghiaccio meno denso dell’acqua liquida, dovrebbe occupare un volume più grande, per cui non riesce più a stare tutto all’interno della bottiglia, con inevitabili conseguenze.

liquido solido

gas

Struttura del ghiaccio

6

Tutti i corpi (solidi, liquidi o gassosi) quando vengono riscaldati si dilatano, cioè il loro volume aumenta e quindi la loro densità diminuisce.

Ancora una volta però l’acqua si comporta in modo speciale: infatti riscaldando l’acqua liquida ad una temperatura compresa fra 0 e 4 °C, si nota che la densità aumenta anziché diminuire, fino a raggiungere il valore massimo (di 1000 kg/m³ o 1 kg/dm³) proprio a 4 °C.

La densità dell’acqua, perciò, non solo aumenta passando dallo stato solido allo stato liquido, ma continua ad aumentare per riscaldamento anche dopo la fusione, fino ad arrivare a 4 °C.

Questo comportamento è dovuto al fatto che la struttura del ghiaccio non si distrugge completamente al momento della fusione, ma continuano ad esistere gruppi di 2 o 3 molecole che restano legate fra loro e lasciano perciò molto spazio vuoto. Solo a 4 °C i gruppi si rompono completamente e lo spazio vuoto viene completamente occupato.

Al di sopra di questa temperatura, continuando a riscaldare, la densità diminuisce come per tutte le altre sostanze.

7 L’evaporazione

Un liquido passa spontaneamente allo stato aeriforme a qualunque temperatura, senza che venga portato all’ebollizione. Si osserva con facilità lasciando un piccolo strato di acqua all’aperto: dopo un certo tempo l’acqua asciuga completamente, anche se la temperatura è ben lontana da 100 °C.

Il fenomeno viene chiamato evaporazione e, al contrario dell’ebollizione, interessa solo le molecole poste alla superficie del liquido, che si staccano dalla superficie stessa e si disperdono nell’aria.

Avviene più rapidamente quando

- la superficie del liquido è più ampia;

- la temperatura è più elevata;

- spira vento;

- l’aria circostante è meno umida (più secca).

L’aria contiene sempre una certa quantità di vapore acqueo che rende appunto l’aria più o meno umida. Quando in una stanza è presente molto vapore acqueo (ad esempio quando si è fatta bollire una pentola di acqua in un ambiente chiuso) è possibile vedere i vetri appannati: è appunto il vapore acqueo che, incontrando una superficie fredda, condensa, formando piccole bollicine di acqua liquida.

La convezione

Quando l’acqua posta in recipiente viene riscaldata sopra un fornello, si notano dei movimenti nella massa acquosa che diventano sempre più intensi avvicinandosi alla temperatura di ebollizione.

La situazione può essere meglio evidenziata se si mette

nell’acqua un po’ di segatura e si usa un recipiente trasparente.

Si nota che l’acqua nel centro del recipiente si muove dal basso verso l’alto, mentre vicino alle pareti laterali scende dall’alto verso il basso.

Il fenomeno prende il nome di convezione. Si spiega con il fatto che l’acqua presente sul fondo, essendo più vicina alla fiamma, si riscalda per prima, diventa meno densa e comincia a salire verso l’alto. Salendo però si raffredda e allora comincia a scendere, sostituta da altra acqua che nel frattempo è stata riscaldata.

8

Il fenomeno della convezione è sfruttato negli impianti di riscaldamento, dove l’acqua viene riscaldata da una caldaia posta in cantina e sale fino ai piani superiori per poi ridiscendere alla caldaia per essere nuovamente riscaldata.

Il fenomeno della convezione non avviene solo nei liquidi ma anche nei gas, in particolare nell’aria, e può essere evidenziato osservando i movimenti dell’aria al di sopra di un calorifero.

2_____________________

L’acqua calda riscalda il metallo dei termosifoni che trasmettono il calore all’ambiente

9 Il ciclo dell’acqua

La quantità di acqua presente sulla terra resta più o meno sempre la stessa, ma subisce continue trasformazioni che costituiscono il ciclo dell’acqua.

Tutta l’acqua liquida presente nei mari, nei corsi d’acqua, nel terreno ed anche negli esseri viventi, evapora in continuazione, per cui una notevole quantità di vapore acqueo si disperde nell’atmosfera.

Poiché l’aria a contatto con il terreno è più calda dell’aria sovrastante, nell’atmosfera esistono moti convettivi che portano le molecole dell’acqua ad alta quota.

Se nell’atmosfera sono presenti granelli di polvere, si possono formare goccioline di acqua liquida.

Infatti, perché possa formarsi una goccia di acqua sono necessarie miliardi di molecole, per cui occorre una superficie (come i vetri di una stanza) su cui le molecole possano ammassarsi.

10

I granelli di polvere nell’atmosfera costituiscono appunto questa superficie: qui si formano le goccioline di acqua, che poi, spinte dal vento, si riuniscono a formare le nubi.

Qualche volta, quando non esistono moti convettivi nell’atmosfera, può succedere che una nube si formi anche a livello del suolo, formando la nebbia.

Le goccioline di acqua all’interno delle nubi, scontrandosi fra loro per i moti del vento, diventano sempre più grandi e pesanti, e alla fine ricadono al suolo formando le precipitazioni.

A seconda della temperatura degli strati di aria incontrata, le precipitazioni possono essere:

pioggia (acqua liquida) se la temperatura è superiore a 0 °C neve (acqua solida) se la temperatura è inferiore a 0 °C qualche volta la pioggia, mentre sta scendendo, incontra nell’atmosfera delle forti correnti che la riportano verso l’alto dove la temperatura è inferiore a 0 °C: le gocce di acqua ghiacciano

rapidamente formando chicchi di ghiaccio che possono anche essere molto grandi e che ricadono velocemente al suolo, costituendo la grandine.

Una volta tornata al suolo, l’acqua, in parte scorre nei corsi d’acqua e torna al mare, in parte viene assorbita dal suolo e può raccogliersi nelle falde sotterranee che scorrono anch’esse verso il mare, in parte viene assorbita dagli esseri viventi (vegetali e animali).

In ogni caso l’acqua torna all’atmosfera per evaporazione e il ciclo si ripete.