l'acqua
e le sue proprietà
|
|
Le eccezionali proprietà chimico-fisiche e la maggior parte
di quelle chimiche dell'acqua sono legate alla sua polarità elettrica e alla possibilità di
formare legami a idrogeno
intermolecolari. Pur essendo formata da molecole semplici, possiede una stabilità chimica e un punto_di_ebollizione sorprendentemente
elevati. Poiché le sue molecole sono polari è un solvente eccellente per sali e molecole che presentano legami polari (soluzioni). |
La proprietà più importante dell'acqua è che si tratta di un liquido a temperatura ambiente (passaggi_di_stato_dell’acqua e punto_triplo_dell’acqua).
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; inoltre, avendo massima densità a 4°C, le acque con temperature vicine a 4°C possono venire a contatto: ciò è un fattore di stabilità termica per l'ambiente (sviluppo sostenibile).
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.
|
formula |
nome |
peso molecolare |
p.e. (°C) |
|
CH4 |
metano |
16 |
-161,5 |
|
NH3 |
ammoniaca |
17 |
-33,4 |
|
H2O |
acqua |
18 |
100,0 |
|
C2H6 |
etano |
30 |
-88,6 |
|
C3H8 |
propano |
44 |
-42,1 |
|
C4H10 |
butano |
58 |
-0,5 |
|
SO2 |
diossido di zolfo |
64 |
-10,0 |
E' evidente l'anomalia dell'acqua che, con un peso molecolare basso, ha un punto di ebollizione molto elevato.
|
|
I legami intermolecolari a idrogeno sono evidenziati in figura mediante i trattini gialli e 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. |
|
Il legame a idrogeno con un altro ossigeno fa allentare i legami preesistenti a causa della sottrazione di carica elettronica, tanto che l'idrogeno può staccarsi dall'ossigeno cui era legato e legarsi ad un altro. Come già detto, la situazione è dinamica, con formazione e distruzione continua di legami e conseguente scambio di idrogeni da una molecola ad un'altra. Il fenomeno è stato confermato introducendo acqua pesante D2O (in cui D rappresenta l'isotopo 2 dell'idrogeno, chiamato deuterio) in acqua: in tempi brevissimi il D è distribuito statisticamente tra tutte le molecole presenti. |
|
Sono miscele omogenee di due o più sostanze: quella in quantità preponderante viene chiamata solvente, le altre soluti.
Le loro proprietà variano con continuità al variare delle proporzioni tra i costituenti.
Possono formarsi sia tra sostanze con uguale stato di aggregazione (solido-solido, liquido-liquido) ma anche tra sostanze in diverso stato di aggregazione (solido-liquido, liquido-gassoso).
Una soluzione che contenga una quantità di soluto corrispondente alla sua solubilità ad una data temperatura si dice satura.
La formazione di una soluzione è accompagnata da un effetto termico dovuto al calore di soluzione (per la disgregazione del sistema solido), al calore di solvatazione (per la solvatazione delle molecole o degli ioni da parte del solvente) e al calore di diluizione (per il trasporto delle singole molecole nel liquido).
Il termine solubilità ha due significati:
1) qualitativo: proprietà di una sostanza di diffondere le proprie molecole in un'altra, in modo da produrre una fase omogenea detta soluzione;
2) quantitativo: la massima quantità di sostanza che si discioglie in una data quantità di solvente ad una temperatura definita.
La solubilità viene espressa in unità di concentrazione e può cambiare in funzione di alcune variabili che influiscono sulla solubilità.
Variabili che influiscono sulla solubilità
La solubilità dipende sempre dalla natura delle sostanze, ma può dipendere anche da temperatura, pressione, interazioni e trasformazioni chimiche e fisiche subite dalle sostanze nel processo.
La solubilità di un gas in un liquido dipende dalla temperatura e dalla pressione: infatti diminuisce all'aumentare della temperatura e aumenta, secondo la legge_di_Henry, all'aumentare della pressione.
La solubilità tra due
liquidi o tra un liquido e un solido dipende soprattutto dalla loro polarità.
Di solito un aumento di temperatura provoca un aumento di solubilità, mentre la pressione non ha un effetto significativo (solidi e liquidi sono praticamente incomprimibili).
L'utilità biologica di molti composti essenziali alla vita dipende da come si comportano con l'acqua (sostanze_idrofile e sostanze_idrofobe) cioè dal fatto di essere solubili o insolubili, di trasportare o meno (nel caso in cui siano solubili) cariche elettriche.
La legge esprime la relazione tra la solubilità di un gas e la sua pressione parziale:
m = kp
Il numero di moli m di gas disciolto in una data quantità di liquido è proporzionale alla pressione parziale p del gas sulla soluzione, secondo la costante di proporzionalità k; k è caratteristica di ogni coppia gas-liquido e, se p è espressa in atmosfere, viene espressa in molalità/atmosfere.
A titolo informativo, ricordando che la molalità rappresenta il numero di moli di un soluto in un chilogrammo di acqua, a 25° e sotto la pressione di una atmosfera, si sciolgono:
0,000638 moli di azoto
0,00129 moli di ossigeno
0,0340 moli di anidride carbonica
(Ricordare anche che la pressione parziale di un gas nell'ambiente, proporzionale alla sua concentrazione, è sempre minore di una atmosfera: per l'azoto è circa 0,78 atm, per l'ossigeno circa 0,2, per l'anidride carbonica circa 0,00035.
|
|
Le sostanze idrofile vengono circondate da molecole di acqua orientate che interagiscono con esse elettrostaticamente o formando legami a idrogeno. Nella figura, partendo da destra in alto, in senso antiorario, sono schematicamente rappresentate le interazioni con l'acqua di un catione di sodio Na+, di un anione cloruro Cl-, di una molecola di acido acetico CH3COOH. In quest'ultimo caso ci saranno molecole di acqua orientate con l'O rivolto verso H del gruppo OH e molecole orientate con gli H verso O. |
|
Le sostanze idrofobe, apolari, non possiedono cariche elettriche localizzate e non possono perciò interagire con l'acqua: le loro molecole tendono perciò a formare agglomerati intermolecolari costituiti da molecole della stessa specie o comunque con le stesse caratteristiche di apolarità.
In figura, assieme a molecole di acqua, sono rappresentate molecole di propano CH3CH2CH3, apolari, che tendono a restare vicine tra loro: di conseguenza il propano non è solubile in acqua. |
|
L'acqua si presenta, nell'ambiente, in tre stati di aggregazione, gassoso G (vapore acqueo), liquido L, solido S (ghiaccio).
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 |
|
Il punto triplo dell'acqua rappresenta le sole condizioni di temperatura T e di pressione P in cui, all'equilibrio, possono coesistere le tre fasi dell'acqua, solida S, liquida L, gassosa G. T1 = 0°C, temperatura di fusione alla pressione P1 = 1 atmosfera T3 = 100°C, temperatura di ebollizione a P1 = 1 atmosfera T2 = +0,0098°C e P2 = 4,58 mm Hg sono invece i valori che caratterizzano il punto triplo dell'acqua. |
|
Il metabolismo dei viventi si svolge in ambiente acquoso poiché le reazioni in soluzione sono più veloci delle reazioni in fase solida.
La velocità_delle_reazioni è molto maggiore in un fluido, poiché le molecole presenti, avendo alta mobilità, si urtano frequentemente.
Ciò avviene anche in fase gassosa, ma le molecole sono molto più lontane tra loro ed hanno perciò meno probabilità di urtarsi.
Tra le molecole dell'acqua e quelle dei soluti si formano velocemente moltissimi legami transitori, e questo accelera le reazioni chimiche.
In generale anche le reazioni chimiche che avvengono sulla superficie terrestre hanno bisogno dell'acqua, che funge come da catalizzatore.
E' noto che le reazioni procedono soltanto se la variazione di energia libera, dallo stato iniziale a quello finale, è negativa: questa è la condizione termodinamica essenziale.
Ma molte reazioni, benché termodinamicamente favorite, sembrano non avvenire.
Ciò dipende dal fatto che la reazione è troppo lenta per essere osservata e questo, a sua volta, dal fatto che per passare dallo stato iniziale a quello finale occorre superare una barriera_energetica troppo alta.
*****
La branca della chimica che studia la velocità delle reazioni e i loro meccanismi si chiama cinetica.
|
|
Lo schema rappresenta
la barriera energetica tra i reagenti e i prodotti di una reazione
generica r = reagenti; la loro
energia complessiva è Er p = prodotti; la loro
energia complessiva è Ep a = complesso_attivato; la sua energia è Ea DE1 = salto energetico
tra r ed a; corrisponde alla energia di
attivazione del processo da r a p DE2 = salto energetico
tra p ed a; corrisponde alla energia di
attivazione del processo inverso, da p a r DE3 = salto energetico tra r e p |
Quando avviene una reazione, i reagenti interagiscono tra loro formando una struttura instabile a (ad alta energia): questa struttura può scindersi dando luogo ai prodotti oppure ritornare ai reagenti (scendendo, cioè, da una parte o dall'altra della curva di energia).
Ovviamente il risultato netto osservabile, se la reazione parte dai reagenti, è dovuto solo alla formazione di prodotti.
Quanto più è alta la barriera di energia (DE1), tanto più lento è il passaggio, perché sempre minore è il numero di molecole con energia sufficiente per superarla, in base alla legge_di_Maxwell-Boltzmann.
E' possibile anche il processo inverso (da prodotti a reagenti), ma la barriera da superare, in questo caso, è ancora più alta.
Il processo r-p è esotermico, mentre quello p-r è endotermico.
Le reazioni possono venire accelerate dalla catalisi.
E' una legge sperimentale che definisce la distribuzione di energia E tra le molecole.
A T1<T2 la maggior parte delle molecole è distribuita in un intervallo più ridotto di energia E: poche molecole hanno E abbastanza alta per superare la barriera energetica. All'aumentare della temperatura T la campana di distribuzione si allarga, così aumenta il numero di molecole con energia sufficiente.
|
|
N = numero totale di molecole NE = numero di molecole con energia E e = base dei logaritmi naturali R = costante universale dei gas T = temperatura assoluta L'area sottesa dalle due curve (cioè l’integrale della funzione corrispondente) è uguale, perché rappresenta lo stesso numero di molecole N. |
I catalizzatori, agenti della catalisi, permettono l'abbassamento_della_barriera_energetica e rendono perciò più facile il suo superamento.
Questo avviene per formazione di un nuovo complesso attivato (cui partecipa provvisoriamente anche il catalizzatore) con energia di attivazione Ea più bassa.
I catalizzatori non modificano la situazione finale dell'equilibrio, ma ne accelerano soltanto il raggiungimento.
Le molecole organiche delle cellule si trasformano, di solito, in tempi ridottissimi: questo grazie proprio a processi catalitici.
Questi avvengono, in ambiente acquoso, ad opera di enzimi.
La catalisi in ambiente acquoso è molto importante per la moltiplicazione dei viventi: se i processi cellulari fossero troppo lenti, prevarrebbe la degradazione e, perciò, la biosfera si dissolverebbe più o meno lentamente nel mondo inorganico.
Abbassamento della barriera energetica
|
|
La nuova curva di energia è quella rossa. Il massimo della curva, più basso del precedente, corrisponde alla energia del nuovo complesso attivato, cui partecipa anche il catalizzatore. Essendo minore la barriera, un maggior numero di molecole avranno energia sufficiente per superarla e, perciò, la reazione sarà più veloce. |
Gli enzimi sono proteine, spesso coordinate con parti non proteiche dette coenzimi, che selezionano ed accelerano con estrema specificità la reazione che ciascuno di essi catalizza.
In base al loro meccanismo di azione si possono distinguere in:
- ossidoriduttasi se svolgono azioni di ossidoriduzione
- trasferasi se operano trasferimenti di gruppi chimici da un donatore a un accettore
- idrolasi se idrolizzano un substrato scindendolo in due prodotti mediante introduzione di acqua
- liasi se scindono direttamente alcuni legami chimici (C-C, C-N, ecc.)
- isomerasi se trasformano il substrato in un corrispondente isomero
- sintetasi o ligasi se catalizzano la sintesi di un nuovo composto grazie all'energia fornita di solito dall'ATP.
