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EDUCATIONAL BOX – TEMA ACQUA

PRESENTAZIONE DIDATTICA Scuola secondaria 1° grado


L'acqua L'acqua è senza dubbio la risorsa più importante della Terra. Occupa il 70% della sua superficie costituendo mari, oceani, fiumi, laghi ghiacciai e nevai. È presente in molti minerali, nell'atmosfera (vapore acqueo) e negli organismi viventi dei quali è il costituente principale. Essa svolge un ruolo essenziale per la vita ed è quindi importante conoscere alcune caratteristiche fisiche e chimiche.


L'acqua

Il ciclo dell'acqua è costituito da un insieme di trasformazioni che l'acqua subisce passando da uno stato all'altro. Il motore d questo sistema è il sole che innesca il processo con il calore. Prima di parlare dei cambiamento di stato ci pare importante soffermarci sulla struttura molecolare dell'acqua per comprendere e spiegare le modifiche che avvengono nel passaggio da uno stato all’altro.


La molecola acqua Il legame tra gli atomi

La molecola dell'acqua è formata da due atomi di H (idrogeno) e uno di O (ossigeno), H2O. Gli atomi sono legati fra loro tramite forze dette “legami”: possiamo immaginarli come dei fili immaginari che tengono legati i due atomi di H all'O. La disposizione degli atomi nello spazio ricorda una V con un angolo di 104,5°.

Angolo di 104,5°

+ -

O

+ H

H


La molecola acqua Il legame tra gli atomi

Il legame che si instaura tra l'atomo di O e quello di H si chiama covalente. Il legame covalente è un legame chimico in cui due atomi mettono in comune delle coppie di elettroni. In questo modo gli atomi tendono al ottenere una maggiore stabilità della loro configurazione elettronica. O è un atomo con un’eletronegatività maggiore rispetto all'H, cioè ha una maggiore capacità di attrarre a se gli elettroni, per cui il risultato è che il primo risulta leggermente negativo e il secondo positivo. Una molecola che presenta questo squilibrio di cariche elettriche è detta essere un dipolo elettrico e il legame è di tipo covalente eteropolare.

-


La molecola acqua Il legame tra molecole

Disposizione delle molecole dell'acqua allo stato liquido

Disposizione delle molecole dell'acqua allo stato solido

L'acqua solidificando aumenta di volume; ciò è dovuto al fatto che le molecole si dispongono stabilmente in un reticolo di cristalli secondo una struttura geometrica esagonale, nella quale gli spazi fra molecola e molecola sono maggiori di circa l’8,7% rispetto a quelli tra le molecole allo stato liquido.

Ossigeno Idrogeno


Proprietà fisiche - chimiche dell'acqua 1/6

Le eccezionali proprietà chimico-fisiche dell'acqua sono legate alla sua polarità elettrica e alla possibilità di formare legami a idrogeno intermolecolari che sono dovuti ad una interazione elettrostatica tra atomi di ossigeno e atomi di idrogeno di molecole di acqua vicine tra loro. Si creano cioè legami parziali tra atomi di ossigeno e di idrogeno di molecole diverse.

Le conseguenze sono: da una parte l'allentamento dei legami esistenti, dall'altra la formazione dinamica (che si modifica cioè continuamente) di agglomerati di molecole di acqua che giustificano l'alto punto di ebollizione. È come se si trattasse non di singole molecole di acqua ma di un "polimero" con più alto peso molecolare.

Questo fenomeno giustifica l’alto punto di ebollizione dell’acqua. Poiché le sue molecole sono polari è un solvente eccellente per sali e molecole che presentano legami polari (soluzioni).



Pur essendo formata da molecole semplici, possiede una stabilità chimica e un punto di ebollizione sorprendentemente elevati.

Il punto di ebollizione (p.e.) di una sostanza è legato generalmente al suo peso molecolare; vengono qui riportati, a titolo indicativo, alcune sostanze con i relativi pesi molecolari e i punti di ebollizione a pressione atmosferica.

È evidente l'anomalia dell'acqua che, con un peso molecolare basso, ha un punto di ebollizione molto elevato.

Nome p.e.

metano 16 -161,5

ammoniaca 17 -33,4

acqua 18 100,0

etano 30 -88,6

propano 44 -42,1

butano 58 -0,5

Diossido di zolfo

64 -10,0



Poiché le sue molecole sono polari è un solvente eccellente

per sali e molecole che presentano legami polari.



L'acqua a temperatura ambiente è un liquido. Ogni passaggio da uno stato ad un altro comporta una variazione energetica E,

che può essere positiva (processo esotermico), con sviluppo di calore o negativa (processo endotermico), con assorbimento di calore.

In un ciclo completo di trasformazioni il bilancio energetico, per una data quantità di acqua, è nullo.

passaggio Processo E (cal/mole)

S - L fusione -80

S - G sublimazione -680

L - G evaporazione -600

G - L condensazione 600

G - S sublimazione 680

L - S solidificazione 80



Nel nostro pianeta la vita ebbe origine nell'oceano e ciò ha improntato la chimica degli esseri viventi.

L'acqua è infatti la molecola più comune sia negli organismi sia nell'ambiente (capacità dei comparti dell'acqua); costituisce il

70% della massa cellulare ed è utilizzata dagli organismi sia per tenere in soluzione entro le cellule molte molecole in

modo che possano reagire in processi metabolici (l’acqua nei metabolismi), sia per trasportare molecole da una cellula

all'altra (biochimica del ciclo del carbonio).



Possiede proprietà fisiche interessanti per la termostatazione dell'ambiente, dato che

una notevole quantità di calore è coinvolta nei passaggi di stato.


Il peso specifico

FERRO = 1 cm³ PESA 7,8 g PS FERRO 7,8 g

ACQUA = 1 cm³ PESA 1 g PS ACQUA 1 g

GHIACCIO = 1 cm³ PESA 0,9 g PS GHIACCIO 0,9 g

IL PESO SPECIFICO di una sostanza è il peso di un suo cm³.

Non è corretto dire che il ferro è più pesante del ghiaccio perché dipende dalla quantità, si deve dire invece che il peso specifico del ferro è maggiore di quello del ghiaccio, che significa che 1 cm³ di

ferro pesa di più di 1 cm³ di ghiaccio.


Il fluido acqua “Tagliare l’acqua con il coltello” o “fare un buco nell’acqua”

significano imprese impossibili.

I liquidi, non possedendo forma propria, non oppongono resistenza a forze di taglio o di torsione, che tendono ad

alterare la forma senza modificare il volume.

L’esperienza inoltre dimostra che i liquidi non sono ugualmente liquidi: l’acqua è meno liquida (o più densa), cioè più

vischiosa dell’alcool, ma più fluida (meno densa) del latte, del miele, della cera e del bitume, quest’ultimo tanto

vischioso da sembrare solido.


La densità In generale, se un corpo è omogeneo, la sua massa aumenta

all'aumentare del volume.

Se prendiamo però due corpi costituiti da materiali diversi, può avvenire che il corpo più piccolo abbia una massa maggiore di quella del corpo

più grande.

La densità assoluta ci dice quanta massa è contenuta in un certo volume ed è una caratteristica della sostanza di cui è costituito il corpo che

prendiamo in esame. La densità assoluta è definita come il rapporto

tra la massa del corpo e il suo volume: d=m/v In generale la densità assoluta dei solidi è maggiore della densità dei

liquidi che a sua volta è maggiore della densità dei gas ma esiste un'importante eccezione, l'acqua: il ghiaccio (solido) galleggia

sull'acqua (liquida) perché la sua densità è minore di quella dell'acqua.


La pressione idrostatica

La Pressione Idrostatica è il peso dell'acqua che agisce su un corpo in essa immerso.

Agisce in tutte le direzioni (non solo dall'alto verso il basso ma anche il contrario, da destra verso

sinistra e viceversa, ecc.).

Aumenta con la profondità perché è maggiore il peso dell'acqua che preme su un corpo immerso: su di esso infatti si ha una colonna d'acqua più alta e

quindi il peso dell'acqua è maggiore.


Il principio di Archimede Il Principio di Archimede viene formulato così:

Un corpo immerso in un liquido subisce una spinta dal basso verso l’alto

che è uguale al peso del liquido spostato.

In sintesi:

La spinta di Archimede cresce al crescere del peso specifico del liquido in cui il corpo è immerso;

La spinta di Archimede cresce al crescere del volume del corpo immerso.

La formula che ci permette di calcolare la spinta è:

S = Ps x V


Ciclo antropico


Potabilizzazione - fasi Ciclo antropico

Captazione: l’acqua viene trasportata al potabilizzatore tramite

canali e condotte …

Sedimentazione: l’acqua viene raccolta in grandi vasche rotonde: i

materiali più grossi e pesanti cadono spontaneamente sul fondo della vasca.

Flocculazione: le argille e le altre particelle presenti nell’acqua,

grazie ad un reagente chimico, formano “fiocchi” che essendo più pesanti sedimentano sul fondo della vasca


Potabilizzazione - fasi Ciclo antropico

Filtrazione: dall’acqua vengono poi eliminate le particelle più piccole

ed i residui della flocculazione, facendola passare attraverso filtri a sabbia e a carbone attivo

Disinfezione: il trattamento finale, rimuove completamente i

microrganismi patogeni, eliminando il rischio di infezioni utilizzando il cloro come disinfettante.

A questo punto l'acqua viene convogliata in serbatoi di raccolta, per essere infine immessa nelle reti di distribuzione.


Ciclo antropico

… così l’acqua pulita è pronta per uscire dai

nostri rubinetti ed essere utilizzata …

… ma utilizzando l’acqua quotidianamente

la sporchiamo di nuovo!


Ciclo antropico Depuratore - fasi

Grigliatura: l’acqua sporca arriva al depuratore, viene sollevata e fatta passare attraverso una griglia di ferro: in questo modo si elimina lo sporco più “grossolano”.

Dissabbiature e disoleatura: le acque vengono lasciate “riposare”: le sabbie e il terriccio (più pesanti) cadono al fondo; i materiali oleosi (più leggeri) galleggiano in superfici.

Ossidazione biologica: microorganismi che si cibano delle sostanze organiche inquinanti si trovano all’interno dell’acqua sporca e ottengono una “carica di energia” dall’ossigeno, che viene soffiato nelle vasche.

Smaltimento dei fanghi: i fanghi, tolti dall’acqua durante la depurazione, vengono raccolti e successivamente smaltiti in discarica.

A questo punto l'acqua pulita viene reimmessa nell'ambiente.

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