Acqua.html
 
| ca | de | en | es | fr | it | nl | no | pl | pt | ru | ro | fi | sv | tr | vo |


 

 È in corso un vaglio per migliorare la qualità di questa voce.
Segui l'apposita discussione formulando suggerimenti e critiche o proponendoti direttamente come revisore.
Acqua
Rappresentazione della molecola di acqua con indicazione delle dimensioni.
Modello generato al computer di una molecola d'acqua.
Nome IUPAC
monossido di diidrogeno
idrossido di idrogeno
ossano
acido ossidrilico [1]
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare H2O
Massa molecolare (u) 18,0153 g/mol
Aspetto liquido incolore
Numero CAS 7732-18-5
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/l, in c.s.) 999,972 a 277,15 K (4 °C)
Temperatura di fusione (K) 273,15 (0,00°C)
Temperatura di ebollizione (K) 373,15 (100,00 °C)
Punto triplo 273,16 K (0,01 °C)
611,73 Pa
Punto critico 647 K (374 °C)
2,2064 × 107 Pa
Tensione di vapore (Pa) a 293,15 K 2338,54
viscosità_dinamica (mPa × s a 20 °C) 1
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol-1) -285,8
ΔfG0 (kJ·mol-1) -237,1
S0m(J·K-1mol-1) 70,0
C0p,m(J·K-1mol-1) 75,3
Indicazioni di sicurezza

     
Progetto composti

L'acqua è un composto chimico di formula molecolare H2O. In condizioni di temperatura e pressione normali[2] si presenta come un liquido incolore e insapore; il suo punto di fusione è a 0 °C (273,15 K), mentre il suo punto di ebollizione è a 100 °C (373,15 K).[3]

L'acqua è un ottimo solvente, per cui le acque naturali contengono disciolte moltissime altre sostanze.

L'acqua naturale è tra i principali costituenti degli ecosistemi ed è alla base di tutte le forme di vita conosciute, uomo compreso. La stessa origine della vita è dovuta alla presenza di acqua nel nostro pianeta.

L'acqua naturale è inoltre indispensabile all'uomo nei suoi molteplici usi civili, agricoli e industriali.

L'uomo ha riconosciuto sin da tempi antichissimi l'importanza dell'acqua per la vita, identificandola con il principale (o uno dei principali) elementi costitutivi dell'universo e attribuendogli un profondo valore simbolico, riscontrabile nelle principali religioni.

Indice

Fisica e chimica dell'acqua

Le prime scoperte scientifiche

La convinzione che l'acqua fosse un elemento primigenio e indivisibile si protrasse fino agli ultimi decenni del XVIII secolo, quando gli scienziati Lavoisier e Cavendish scoprirono che questa sostanza è formata in realtà da due costituenti: idrogeno e ossigeno.

Nel 1742, Anders Celsius definì la scala di temperatura che prende il suo nome, ponendo il punto di fusione dell'acqua (alla normale pressione atmosferica) a 0 gradi ed il punto di ebollizione a 100 gradi.

L'elettrolisi dell'acqua.

La prima scomposizione dell'acqua in idrogeno e ossigeno (i suoi componenti elementari) fu eseguita nel 1800 dal chimico inglese William Nicholson, tramite il processo di elettrolisi. L'acqua è infatti parzialmente dissociata in ioni H+ e OH-, che migrano verso i due poli della cella elettrolitica dove avvengono le seguenti reazioni:

anodo (+): 4 OH- → O2 + 2 H2O + 4 e-
catodo (−): 2 H+ + 2 e− → H2

ossigeno e idrogeno formano bolle di gas sulla superficie degli elettrodi, da cui possono essere raccolti.

Gilbert Newton Lewis ha isolato il primo campione di pura acqua pesante (in cui l'idrogeno è sostituito dal deuterio, suo isotopo) nel 1933.

Una controversia scientifica è nata alla fine degli anni '60 a proposito dell'esistenza di una forma polimerica dell'acqua (la poliacqua). È ormai condivisa l'opinione che tale poliacqua non esiste. [4] [5] [6]

Nel 2007 grazie all'uso di supercomputer e alla meccanica quantistica è stato sviluppato un modello numerico dell'acqua che partendo dai principi quantomeccanici delle molecole ne estrapola il comportamento in modo corretto.[7]

Le forme fisiche dell'acqua

Per approfondire, vedi le voci Ghiaccio e Neve.
Acqua allo stato liquido.

L'acqua assume più forme in natura. Allo stato solido è nota come ghiaccio, allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo. Sono note anche altre due forme solide, quella del ghiaccio vetroso e quella del solido amorfo, non cristallino, simile al vetro. A pressioni estreme il ghiaccio può assumere diversi stati solidi, numerati con numeri romani.

Il ghiaccio e la neve con cui abbiamo a che fare normalmente presentano una struttura cristallina esagonale (ghiaccio Ih). Solo leggermente meno stabile (metastabile) della forma esagonale è quella cubica (ghiaccio Ic). Raffreddando il ghiaccio Ih si ha la formazione di una diversa configurazione, la forma XI, nella quale i protoni presentano una elevata mobilità.

A diverse temperature e pressioni possono esistere ulteriori tipi di ghiaccio, che possono essere identificati nel diagramma di fase del ghiaccio. Questi sono II, III, V, VI, VII, VIII, IX, e X. Il passaggio da un ghiaccio all'altro avviene attraverso una transizione isotermica, essendo delle transizioni di fase. Sotto opportune condizioni, tutti questi tipi possono esistere anche a temperatura ambiente. I vari tipi di ghiaccio differiscono per la loro struttura cristallina, ordinamento e densità. Ci sono due fasi metastabili del ghiaccio: la IV e la XII. Il ghiaccio XII venne scoperto nel 1996. Nel 2006 sono state scoperte le forme XIII e XIV.

Oltre alle forme cristalline, l'acqua può esistere in stati amorfi: acqua solida amorfa, ghiaccio amorfo a bassa densità, ghiaccio amorfo ad alta densità, ghiaccio amorfo ad altissima densità e acqua vetrosa sottoraffreddata.

Esistono anche molecole d'acqua costituite da isotopi dell'idrogeno al posto del normale prozio (11H), che trovano impiego principalmente in ambito nucleare.

L'acqua pesante (D2O o 21H2O) è un'acqua in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da atomi di deuterio, isotopo dell'idrogeno avente peso atomico 2 uma. Il suo comportamento chimico è sostanzialmente uguale a quello dell'acqua; trova applicazione in quanto è un moderatore meno efficace dell'acqua comune (idrogeno + ossigeno) dei neutroni emessi dalla fissione nucleare. In campo nucleare quindi l'acqua comune viene definita anche come acqua leggera.

Esiste anche un'altra forma meno stabile, chiamata acqua superpesante (T2O o 31H2O), in cui al posto degli atomi di idrogeno sono presenti atomi di trizio, isotopo dell'idrogeno avente peso atomico 3 uma.

I cambiamenti di stato dell'acqua

Diagramma di fase dell'acqua.

L'acqua è una delle poche sostanze esistenti (insieme a gallio, bismuto e antimonio) in cui il processo di solidificazione avviene con un aumento di volume specifico pari a circa 0,09 l/kg (alla temperatura di 0 °C e alla pressione di 1 atm). Ciò comporta che alla diminuzione della temperatura, la pressione di passaggio di stato solido-liquido aumenti sensibilmente: si ha una pendenza negativa della linea di passaggio solido-liquido nel diagramma pressione-temperatura. In particolare, per ogni centesimo di grado Celsius (0,01 °C) di diminuzione della temperatura si ha un aumento della pressione di fusione di circa una atmosfera. Questa relazione è verificata fino alla pressione di 2070 atm e alla temperatura di -22 °C, oltre la quale si hanno altri stati allotropici.

In condizioni normali (a pressione di 1 atm) l'acqua vaporizza alla temperatura di 100 °C. Come per tutte le altre sostanze, nella trasformazione è necessario fornire una certa quantità di calore detto calore latente, che nel caso dell'acqua è più elevato di ogni altra sostanza nota: a condizioni di 0 °C e di una atmosfera questo calore di vaporizzazione è infatti pari a 2501 kJ/kg. Fra i 90 °C e i 250 °C vale la regola empirica per cui la pressione di vaporizzazione pvap è pari alla radice quarta della centesima parte della temperatura di vaporizzazione Tvap espressa in gradi Celsius:

p_{vap} = \sqrt[4]{\frac{T_{vap}}{100}}

Le proprietà dell'acqua

Ghiaccio.

L'acqua allo stato liquido presenta diverse anomalie:

  • punto di ebollizione molto alto;
  • volume molare piuttosto basso;
  • calore specifico elevato con un minimo a 35 °C;
  • viscosità che presenta un minimo alle alte pressioni;
  • notevole aumento di volume nel congelamento;
  • un massimo della massa volumica che indica la presenza, al di sotto della corrispondente temperatura, di uno stato liquido che in modo anomalo all'aumentare della temperatura si contrae.

Per spiegare queste anomalie si tende ad ammettere che l'organizzazione cristallina, dovuta nel ghiaccio ai legami idrogeno, sussista ancora nell'acqua liquida, costituendo un edificio macromolecolare lacunare con legami interni mobili che diminuiscono di numero all'aumentare delle temperature e che formano un insieme di agglomerati polimerici a grappolo in equilibrio dinamico, e di molecole libere o legate in catene o in anelli.

A differenza della maggior parte delle altre sostanze, per le quali la forma solida è più densa di quella liquida, il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. La densità dell'acqua è infatti massima a 4 °C. Ciò è dovuto al fatto che il volume molare dell'acqua aumenta all'abbassarsi della temperatura, con conseguente diminuzione della densità, e galleggiamento per spinta di Archimede.

Le superfici ghiacciate dei laghi e degli oceani permettono lo sviluppo della vita nell'ambiente sottostante.

Questa insolita espansione dell'acqua a basse temperature costituisce un vantaggio importante per tutte le creature che vivono in ambienti di acqua dolce d'inverno. L'acqua, raffreddandosi in superficie, aumenta di densità e scende verso il fondo innescando correnti convettive che raffreddano uniformemente l'intero bacino. Quando la temperatura in superficie scende sotto i 4 °C questo processo si arresta, e per la spinta di Archimede l'acqua più fredda rimane in superficie, dove, con un ulteriore calo della temperatura, forma uno strato di ghiaccio. Se l'acqua non avesse questa particolarità, i laghi ghiaccerebbero interamente, e di conseguenza tutte le forme di vita presenti morirebbero.

La situazione nelle acque marine è in qualche modo differente. Il sale contenuto nell'acqua abbassa sia il punto di congelamento dell'acqua di circa 2 °C, (per il fenomeno dell'abbassamento crioscopico) sia la temperatura cui l'acqua raggiunge la sua massima densità fino a circa 0 °C. Quindi nelle acque oceaniche i moti convettivi che portano verso il fondo l'acqua più fredda non sono bloccati dal gradiente di densità, come avviene nelle acque dolci. Le creature che vivono sul fondo degli oceani artici sono adattate a vivere a temperature prossime a 0 °C.

Acqua marina.

Alla normale salinità dell'acqua di mare, l'acqua congela a circa −1,9 °C. Il ghiaccio che si forma è sostanzialmente privo di sale ed ha densità paragonabile a quella del ghiaccio di acqua dolce. Questo ghiaccio galleggia sulla superficie, mentre il sale che ne è stato "espulso" va ad aumentare salinità e densità dell'acqua vicina, la quale scende per convezione verso il fondo.

Le condizioni di temperatura e pressione in cui le fasi solida, liquida e gassosa di una sostanza esistono contemporaneamente in equilibrio tra loro è detta punto triplo. Per l'acqua il punto triplo viene usato come riferimento di temperatura, avendo fissato per convenzione che questi è a 273,16 K (ossia 0,01 °C); la pressione al punto triplo dell'acqua è di 611,2 Pa, valore molto basso, se si considera che al livello del mare la pressione atmosferica vale mediamente 101.300 Pa.

L'elevata tensione superficiale è osservabile nella formazione delle gocce.

L'acqua possiede un'elevata tensione superficiale, osservabile tramite la formazione di gocce, proprietà anch'essa importante per la vita. Un esempio è il trasporto dell'acqua negli xilemi degli steli delle piante; la tensione superficiale mantiene la colonna d'acqua unita e forze adesive mantengono l'acqua aderente allo xilema. Colonne altrettanto alte e sottili di liquidi meno coesi e meno aderenti andrebbero a spezzarsi formando sacche d'aria o di vapore, rendendo inefficiente fino all'impossibilità il trasporto del liquido attraverso lo xilema.

L'acqua pura è un buon isolante elettrico (cioè un cattivo conduttore). Ma, essendo anche un buon solvente, spesso reca in sé tracce di sali disciolti in essa, che, con i loro ioni la rendono un buon conduttore di elettricità.

In teoria il pH dell'acqua pura a 25 °C è 7. In pratica, date le sue buone capacità solventi, l'acqua pura è difficile da trovare in natura. Per semplice esposizione all'aria, l'acqua ne dissolve l'anidride carbonica, formando una soluzione molto diluita di acido carbonico che può arrivare fino ad un valore di pH 5,7. Similmente si comportano le gocce di pioggia, che presentano sempre una seppur minima acidità. La presenza di ossidi di zolfo o di azoto nell'atmosfera, tramite la loro dissoluzione nelle gocce di pioggia, porta a piogge acide aventi valori di pH ben inferiori (3,5÷2,5), i cui effetti sull'ambiente sono ben più seri. Il pH dell'acqua di mare è tra 7,7 e 8,3.

La natura dipolare dell'acqua

Per approfondire, vedi la voce Legame a idrogeno.
Disposizione degli atomi nella molecola dell'acqua.

Un'importante caratteristica dell'acqua è data dalla polarità della sua molecola, con momento di dipolo molecolare pari a 1,84 D. La molecola dell'acqua forma un angolo di 104,45° con l'atomo di ossigeno al vertice e i due atomi di idrogeno alle due estremità. Dato che l'ossigeno ha una elettronegatività maggiore, il vertice della molecola ospita una parziale carica elettrica negativa (δ-), mentre le estremità recano una parziale carica elettrica positiva (δ+). Una molecola che presenta questo squilibrio di cariche elettriche è detta essere un dipolo elettrico. Le cariche fanno sì che le molecole vengano attratte reciprocamente l'una dall'altra. Questa attrazione nell'acqua è particolarmente intensa, prende il nome di legame idrogeno (o H-bond) e spiega molte delle proprietà fisiche tipiche dell'acqua, benché il legame idrogeno sia molto più debole dei legami covalenti interni alla molecola stessa.

La presenza del legame idrogeno spiega ad esempio i relativamente alti punto di fusione e punto di ebollizione: è infatti richiesta una maggiore energia (rispetto a sostanze meno polari) per rompere i legami idrogeno che tengono unite le molecole le une alle altre. L'acido solfidrico, H2S, simile per geometria ma incapace di formare legami idrogeno, è un gas a temperatura ambiente, pur avendo un peso molecolare quasi doppio rispetto all'acqua. Sempre al legame idrogeno è da attribuire l'elevata capacità termica specifica.

Rappresentazione del legame idrogeno che si instaura tra più molecole di acqua.

Il legame idrogeno spiega anche l'insolito comportamento dell'acqua quando questa congela: a causa di questo legame, quando la temperatura si abbassa fino al punto di congelamento, le molecole di acqua si organizzano in una struttura cristallina dalla simmetria esagonale tipica del ghiaccio, che risulta essere meno densa dell'acqua liquida.

Il fatto che il ghiaccio sia meno denso dell'acqua liquida porta con sé una curiosa conseguenza: il ghiaccio può essere fuso anche tramite l'applicazione di una adeguata pressione. Tale pressione risulta essere piuttosto elevata, si pensi per confronto che la pressione esercitata da un pattinatore abbassa il punto di fusione del ghiaccio su cui si trova di circa 0,09 °C.

Allo stato solido ogni molecola di acqua si lega con altre quattro mediante legami idrogeno in una configurazione tetraedrica, dando luogo ad una conformazione tridimensionale a strati costituiti di anelli esagonali.

Allo stato liquido la continua formazione e rottura di legami idrogeno dà luogo ad aggregati fluttuanti (chiamati "domini") molto estesi (dell'ordine di decine di molecole), dovuti al fatto che la formazione di un H-bond fra due molecole induce la formazione di un altro H-bond in una sorta di reazione a catena. Ogni dominio ha una struttura simile a quella del ghiaccio; mediamente ogni molecola di acqua è circondata da altre 4,7 molecole[8] e la distanza fra due atomi di ossigeno di molecole attigue è di circa 3 Å, rendendo così molto influenti le interazioni a corto range. L’esistenza di questi domini impartisce all’acqua un elevato grado di strutturazione, che ne determina molte caratteristiche peculiari.

La durata della vita media di un dominio è un argomento molto controverso ed oggetto di dibattito; tralasciando le più o meno recenti polemiche sulla cosiddetta "memoria dell’acqua", la vita media di un dominio è comunemente ritenuta essere dell’ordine di 0.1 ns, ma esistono teorie ed evidenze sperimentali secondo cui potrebbe essere molto più lunga, cioè di alcuni secondi o anche più; secondo altre ricerche, invece, sarebbe assai più breve, dell’ordine dei 50 fs. Si è recentemente appurato, inoltre, che i processi di rilassamento nell’acqua avvengono seguendo diverse scale temporali; ciò vuol dire che coesistono aggregati molecolari diversi, ognuno con la propria struttura, che danno luogo ad un quadro estremamente complesso.[9] [10] [11] [12] [13]

Sfera di idratazione attorno ad uno ione sodio.

Le macromolecole biologiche e le strutture sopramolecolari interagiscono con le molecole di acqua vicine (acqua di idratazione), modificandone alcune caratteristiche e subendo a loro volta modifiche nelle proprie caratteristiche. Le molecole di acqua dello strato di idratazione, ad esempio, hanno una orientazione preferenziale ed una limitata libertà di movimento rotazionale e traslazionale, che fa passare i tempi di correlazione dai 10-12 s dell’acqua pura ai 10-6÷10-9 s dell’acqua delle shell di idratazione[14].

L'acqua forma clatrati idrati, costituiti da "gabbie" di molecole di acqua che circondano molecole o ioni estranei. Al di là dell'interesse per la loro struttura, che illustra quale organizzazione possa imporre il legame a idrogeno, gli idrati clatrati si assumono spesso a modello della maniera in cui l'acqua sembra organizzarsi intorno ai gruppi apolari, quali ad esempio quelli delle proteine. Alcuni composti ionici formano idrati clatrati nei quali l'anione è incorporato nell'intelaiatura dei legami a idrogeno. Questo tipo di clatrati ricorre frequentemente con gli accettori di legame a idrogeno molto forti, quali F- e OH-.

Le molecole di acqua inoltre mediano alcune reti di legami idrogeno intra-chain ed inter-chain, contribuendo alla stabilizzazione ed al folding del collagene, che è una delle proteine più importanti in natura.

L'acqua come solvente

Miscuglio omogeneo (soluzione) di acqua e sale

Chimicamente l'acqua è un buon solvente. Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, dal momento che che consentono lo svolgersi delle complesse reazioni chimiche che costituiscono le basi della vita stessa (ad esempio, quelle che avvengono nel sangue o nel citoplasma della cellula).

Il comportamento di solvente dell'acqua è determinato dalla polarità della sua molecola: quando un composto ionico o polare viene disciolto in acqua, viene circondato dalle molecole di acqua, le quali, si inseriscono tra uno ione e l'altro o tra una molecola e l'altra di soluto (grazie alle loro piccole dimensioni), orientandosi in modo da presentare ad ogni ione (o estremità polare) del soluto la parte di sé che reca la carica opposta; questo indebolisce l'attrazione tra gli ioni (o tra le molecole polari) e rompe la struttura cristallina; ogni ione (o ogni molecola polare) si ritrova quindi solvatato, cioè circondato completamente da molecole d'acqua che interagiscono con esso.

Un esempio di soluto ionico è il comune sale da cucina (cloruro di sodio), un esempio di soluto molecolare polare è lo zucchero.

In generale, le sostanze ioniche polari (quali acidi, alcoli e sali) sono abbastanza solubili in acqua, mentre non lo sono le sostanze non polari (quali grassi ed oli). Le molecole non polari non si miscelano all'acqua, perché per quest'ultima è favorita dal punto di vista energetico la formazione di legami a idrogeno al suo interno, piuttosto che la formazione di legami di Van der Waals con molecole non polari.

La natura anfotera dell'acqua

Per approfondire, vedi la voce Autoionizzazione.
La struttura tridimensionale dello ione idronio.

L'acqua è un anfotero, cioè un composto capace di comportarsi sia da acido che da base.

A pH 7 (condizione di neutralità) la concentrazione di ioni idrossido OH- è uguale a quella di ioni idrogeno H+ (o idronio H3O+). Quando questo equilibrio viene alterato, la soluzione diventa acida (maggiore concentrazione di ioni idrogeno) o basica (maggiore concentrazione di ioni idrossido).

Secondo la teoria di Brønsted-Lowry, un acido è una specie chimica capace di donare uno ione H+ ed una base è una specie chimica capace di addizionarlo a sé. In presenza di un acido più forte di essa, l'acqua si comporta da base, in presenza di un acido più debole di essa, l'acqua si comporta da acido. Ad esempio, nell'equilibrio:

HCl + H2O ⇄ H3O+ + Cl-

l'acqua si comporta come base ed un acido le dona il suo ione H+. Invece nella reazione con l'ammoniaca:

NH3 + H2O ⇄ NH4+ + OH-

è l'acqua ad agire da acido, donando il suo ione H+ a quest'ultima.

Lo ione H3O+, presente sempre in piccole quantità insieme alla normale molecola d'acqua, si forma in seguito alla reazione chimica di autoprotolisi dell'acqua:

2H2O ⇄ H3O+ + OH-

Questa reazione è anche nota come autoionizzazione, semi-ionizzazione o autodissociazione dell'acqua, e spiega la natura anfotera dell'acqua.

L'acqua nell'universo

Per approfondire, vedi le voci Esobiologia e Origine della vita.
Diagramma che mostra la composizione della nebulosa di Herbig-Haro HH46, al cui interno sono state rinvenute consistenti quantità di ghiaccio d'acqua.

Nelle nubi interstellari della nostra galassia, la Via Lattea, è stata riscontrata la presenza di molecole d'acqua.[15] Si presume che l'acqua sia abbondante anche in altre galassie, dato che i suoi componenti elementari, idrogeno e ossigeno, sono tra i più abbondanti elementi dell'universo.

Gran parte dell'acqua presente nell'universo potrebbe essere un prodotto secondario della fase di formazione stellare.[16] Le stelle, al termine della loro formazione, emettono un vento stellare particolarmente intenso, accompagnato dall'emissione di un grande flusso di gas e polveri; quando questo flusso impatta contro il gas residuo della nube molecolare si generano delle onde d'urto che comprimono e riscaldano i gas. L'acqua riscontrata all'interno delle nebulose in cui è presente un'attività di formazione stellare si è originata rapidamente a partire dal gas compresso riscaldato.[17]

Un "sottoprodotto" della fase di formazione stellare è la formazione di sistemi planetari, anche simili al sistema solare.[18] In simili sistemi sarebbe possibile rintracciare acqua su corpi celesti non molto caldi, quali comete, pianeti e satelliti. Nel nostro sistema solare, acqua allo stato liquido è stata rinvenuta, oltre che sulla Terra, sulla Luna.[19] Concreta è la possibilità che acqua liquida sia presente anche al di sotto della superficie della luna di Saturno Encelado e della luna di Giove Europa.

Sotto forma di ghiaccio, è stata trovata su:

È probabile che tracce di ghiaccio d'acqua si trovino sulla superficie lunare (ghiaccio lunare), sul pianeta nano Cerere e sul satellite di Saturno Teti. Ghiaccio sarebbe contenuto anche nell'interno di Urano e Nettuno e sul plutoide Plutone, oltre che nelle comete.

Distese ghiacciate su Europa.

Allo stato gassoso (vapore acqueo) è stata trovata su:

La presenza dell'acqua nell'universo viene considerata dall'esobiologia come un fattore chiave per lo sviluppo della vita in pianeti differenti dal nostro. Alla presenza dell'acqua si richiamano infatti molte teorie sull'origine della vita.

L'acqua e la zona abitabile

Per approfondire, vedi le voci Abitabilità planetaria, Abitabilità dei sistemi planetari delle nane rosse e Zona abitabile.
La zona abitabile in diversi sistemi con stelle di masse differenti; al centro vi è il sistema solare. Non in scala

La presenza di acqua liquida (e in misura minore nelle forme gassosa e solida) sulla Terra è una condizione essenziale per lo sviluppo e il sostentamento della vita come la conosciamo. La Terra presenta tali condizioni favorevoli poiché si trova in quella che gli astronomi definiscono zona abitabile del sistema solare, ovvero una stretta fascia orbitale in cui l'irraggiamento da parte del Sole è tale da mantenere l'acqua allo stato liquido: infatti, se solo il nostro pianeta fosse stato più lontano o più vicino alla nostra stella, anche solo del 5% (otto milioni di chilometri), le condizioni in grado di mantenere simultaneamente i tre stati dell'acqua avrebbero avuto minori possibilità di verificarsi.[23]

Definire la nozione di abitabilità planetaria comincia dallo studio delle stelle: infatti, l'abitabilità di un pianeta dipende in gran parte dalle carattetistiche del sistema planetario (e dunque della stella) che lo ospita. In seguito al progetto Phoenix del programma SETI, nel 2002 è stato sviluppato il catalogo HabCat (abbreviazione di Catalogo dei sistemi stellari abitabili), costituito estraendo dal catalogo Hipparcos le 120000 stelle più prossime alla Terra. In seguito, una selezione più precisa ha permesso di isolare 17000 HabStars, stelle potenzialmente abitabili. La scelta dei criteri fu un buon punto di partenza per comprendere quali caratteristiche astrofisiche siano necessarie per rendere dei pianeti abitabili.[24] Quanto più la stella è massiccia, tanto più la durata della sua vita si abbrevia; la sua luminosità incrementa e, di conseguenza, la sua zona abitabile risulta sempre più lontana dalla stella.[25]

Si stima attualmente che il dominio spettrale appropriato per le stelle abitabili va dall'inizio della classe F o G fino a metà della classe spettrale K; il Sole, stella di classe G2, è all'incirca nel mezzo di tale dominio. Tali stelle sono maggiormente favorevoli, rispetto alle stelle di classe O, B ed A, in quanto:

Queste stelle non sono né troppo calde, né tropppo fredde, e bruciano sufficientemente a lungo perché la vita abbia possibilità di comparire ed evolvere sino anche a forme complesse. Questo tipo di stelle costituisce probabilmente dal 5 al 10% delle stelle della nostra galassia. Per contro, la questione concernente l'effettiva abitabilità dei sistemi delle stelle meno luminose, cioè quelle tra la fine della classe K e la classe M, resta aperta e riveste grandissima importanza in quanto la maggioranza delle stelle (circa il 65 %) della Galassia fanno parte di questa categoria (vedi abitabilità dei sistemi planetari delle nane rosse).[30]

Inoltre, perché un pianeta possa ospitare condizioni favorevoli alla presenza di acqua liquida, esso deve possedere una gravità superficiale in grado di trattenere un cospicuo involucro atmosferico; la massa del pianeta però non deve essere eccessiva, in quanto una grande massa genera una grande gravità, e dunque potrebbe mantenere allo stato solido l'acqua anche a temperature altre a causa dell'elevata pressione. Il vapore acqueo e il diossido di carbonio presenti nell'atmosfera causano poi un effetto serra che consente di mantenere stabile la temperatura alla superficie del pianeta. Le condizioni ideali si verificano qualora il pianeta abbia una massa simile a quella della Terra: se infatti il pianeta fosse meno massiccio, riuscirebbe a trattenere solamente una tenue atmosfera, che causerebbe eccessive escursioni termiche e favorirebbe l'accumulo di acqua solamente nelle regioni polari (come avviene su Marte).

Rappresentazione artistica di Gliese 581 c, l'unico pianeta sin'ora scoperto che pare avere proprietà simili a quelle della Terra.

È stato suggerito che la vita stessa possa contribuire a mantenere le condizioni favorevoli alla sua stessa esistenza. La temperatura superficiale sulla Terra è stata relativamente costante nel susseguirsi delle ere geologiche, nonostante le variazioni, anche forti, dell'insolazione media superficiale, e questo indicherebbe che una serie di processi dinamici regolerebbero la temperatura del pianeta tramite una combinazione di gas serra e dell'albedo superficiale o atmosferico. Tale teoria prende il nome di Ipotesi Gaia.

Diverse sono le teorie in merito all'origine dell'acqua sulla Terra. Le due ipotesi più accreditate ritengono che l'acqua o sia giunta sulla Terra a seguito degli impatti con le comete, molto frequenti agli albori del sistema solare, oppure a seguito della grande attività vulcanica della Terra primordiale, che avrebbe rilasciato nell'atmosfera grandi quantità di vapore acqueo che poi sarebbe precipitato a terra sotto forma di fenomeni idrometeorici.

Nel 2007 è stato scoperto un pianeta in orbita attorno alla nana rossa Gliese 581 potenzialmente abitabile, Gliese 581 c. Se la massa stimata dagli scopritori, corrispondente a 5,03 M⊕, fosse corretta, Gliese 851 c sarebbe l'esopianeta meno massiccio in orbita attorno ad una stella di sequenza principale.[31] Gli scopritori hanno stimato per il pianeta un raggio 1,5 volte quello del nostro pianeta.
Il pianeta si trova all'interno della zona abitabile di Gliese 581;[32] tuttavia, la sua relativa vicinanza alla stella madre potrebbe far sì che il corpo celeste risulti bloccato dalle forze di marea in un'orbita sincrona, e dunque rivolga alla stella sempre il medesimo emisfero.

L'acqua sulla Terra

Caratterizzazione chimico-fisica delle acque naturali

Campioni per l'analisi della torbidità dell'acqua.

L'acqua in natura non è mai pura, bensì contiene al suo interno moltissime particelle (grazie alla sua capacità di solvente), la maggior parte delle quali microscopiche; le sostanze contenute sostanzialmente si suddividono in base alla loro dimensione:

  • Materiali sospesi: > 0,1 μm
  • Materiali dispersi (colloidali): 0,1 ÷ 0,001 μm
  • Sostanze disciolte: < 10 Å: gas, anioni, cationi

Grazie alle tecniche della chimica analitica è possibile individuare le particelle disciolte nell'acqua. La caratterizzazione chimico-fisica di un'acqua naturale consiste generalmente nella seguente procedura:

  1. Prelevamento (in genere si prelevano 2 campioni rappresentativi)
  2. Osservazione: sensazioni organolettiche primarie
  3. Calcolo del pH
  4. Calcolo della torbidità: metodo fotometrico
  5. Calcolo del residuo fisso: misurazione del peso a diverse temperature
  6. Determinazione della conducibilità elettrica
  7. Determinazione anioni e cationi: metodi complessometrici e/o altro
  8. Calcolo della durezza: concentrazione ioni Ca, Mg e HCO3

Classificazione delle acque naturali

Per approfondire, vedi la voce Ciclo dell'acqua.
Il lago Louise, in Canada.

A seconda della loro provenienza, le acque naturali si classificano in:

L'acqua compie un ciclo continuo (il cosiddetto ciclo dell'acqua o ciclo idrologico), consistente nel continuo scambio di acqua nell'idrosfera tra l'atmosfera, il suolo, le acque di superficie, le acque profonde e gli esseri viventi. Grazie all'evaporazione delle acque superficiali per effetto dell'irraggiamento solare ed alla traspirazione delle piante, si formano le nubi negli strati più freddi dell'atmosfera. Queste vengono trasportate dai venti ed al variare di temperatura e/o pressione, ritornano al suolo sotto forma di acque meteoriche, arricchendo ulteriormente le acque superficiali ed in parte (filtrando nel terreno) quelle sotterranee.

Poiché moltissime sostanze hanno una certa solubilità in acqua, in natura praticamente non esistono acque pure.

Le acque meteoriche contengono gas normalmente presenti nell'atmosfera (principalmente N2, O2 e CO2), quelli localmente presenti per via di attività industriali o di centri abitati (SO2, SO3, ossidi di azoto, CO) e quelli che provengono dalla decomposizione di sostanze organiche naturali (H2S, NH3). L'acqua meteorica può reagire con tali sostanze. Un esempio è dato dal fenomeno della pioggia acida:

SO3 + H2O → H2SO4
L'acqua è associata alla formazione delle stalattiti.

Le acque sotterranee, alimentate dall'infiltrazione delle acque meteoriche, da cui il terreno filtra le sostanze in sospensione,sono acque minerali. A volte le acque sotterranee fuoriescono spontaneamente diventando acque sorgive (notevolmente pregiate per l'uso potabile per la mancanza di organismi patogeni, ma spesso la qualità viene minacciata da erbicidi e pesticidi, che sono estremamente dannosi per la salute).

Le acque sotterranee, ossidando le sostanze organiche presenti nel suolo, si arricchiscono di anidride carbonica che facilita la dissoluzione di rocce calcaree in un processo descritto dalla formula:

MgCO3 [insolubile] + CO2 + H2O ⇌ Mg(HCO3)2 [solubile]

Se la concentrazione del diossido di carbonio è elevata, la quantità di roccia dissolta è elevata e si possono formare delle grotte; tale fenomeno in Italia è chiamato carsismo (dalla regione del Carso dove è tipico questo fenomeno). Per il procedimento inverso della formula sopra citata si ha la formazione di stalattiti e stalagmiti.

Le acque superficiali hanno composizione estremamente variabile a seconda delle condizioni climatiche ed ambientali. Si possono classificare in acque dolci (3%, per circa i 3/4 nello stato solido) e salate. Il mar Mediterraneo contiene circa il 3,5% di sali (77,7% cloruro di sodio, 11% cloruro di magnesio ed il restante diviso tra solfati di magnesio, calcio, potassio, carbonato di calcio e bromuro di magnesio).

Sostanze contenute nelle acque ((i)=inorganiche, (o)=organiche):

Risorse idriche terrestri

Per approfondire, vedi la voce Idrogeologia.
Cascata d'acqua.
La presenza dell'acqua sulla Terra è essenziale per lo sviluppo della vita.

Il volume di acqua presente sulla Terra è stimato in 1 360 000 000 km3; di questi:

L'acqua dolce rappresenta solo il 2,5% del volume totale presente sulla Terra e per più dei 2/3 si trova in pochi ghiacciai, in particolare nell'Antartide e in Groenlandia, i quali sono quindi la principale riserva di acqua dolce nel nostro pianeta.

La fusione dei ghiacciai a causa dell'effetto serra e dell'aumento delle temperature ha un forte impatto ambientale, sia per l'innalzamento del livello dei mari ma anche per la scomparsa di questa riserva. Durante la fusione dei ghiacci, infatti, l'acqua dolce si mescola a quella salata del mare, divenendo inutilizzabile dall'uomo.

Un ulteriore 30% di acqua dolce si trova in riserve sotterranee e solo meno dell'1% dell'acqua dolce si trova in laghi, fiumi o bacini ed è quindi facilmente accessibile.[34] In uno studio pubblicato nel 1996 dalla rivista Science[35] si stimava che:

  • il ciclo dell'acqua genera un totale di acqua dolce rinnovabile pari a circa 110 300 km3/anno;
  • circa 69 600 km3/anno delle precipitazioni evapora a sua volta (ma consente la vita di forme importanti di vegetazione, quali le foreste, non irrigate dall'uomo);
  • rimangono circa 40 700 km3/anno, che ritornano nei mari e negli oceani; di tale acqua:
    • 7 774 km3/anno sono in zone di difficile accesso e, in pratica, non utilizzate (circa il 95% del Rio delle Amazzoni, metà del Congo, buona parte dei fiumi nelle terre più settentrionali);
    • 29 600 km3/anno finiscono in mare senza essere utilizzati mediante dighe;
    • 12 500 km3/anno possono essere utilizzati dall'uomo; di questi:
      • 4 430 km3/anno vengono direttamente utilizzati nell'agricoltura (2880), nell'industria (975) e nelle città (300); il dato comprende, peraltro, anche la perdita di riserve per evaporazione (275);
      • 2 350 km3/anno vengono utilizzati "così come sono", ad esempio per navigazione, pesca e parchi;
  • la costruzione di dighe può aumentare di circa il 10% la disponibilità di acqua dolce utilizzabile dall'uomo nel 2025, ma si prevede che per quel tempo la popolazione potrebbe aumentare di circa il 45%;
  • l'aumento stimato dell'acqua disponibile può inoltre risultare ottimistico, a causa del crescente inquinamento e del riscaldamento globale.

L'acqua e l'uomo

L'acqua nella storia della civiltà e nelle religioni

Rituale dell'acqua nella cultura indiana.

L'acqua ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo delle prime civiltà antiche, che erano localizzate lungo i grandi fiumi dell'Oriente: il Nilo per la civiltà egizia, il Tigri e l'Eufrate per le civiltà mesopotamiche (Sumeri, Babilonesi e Assiri), lo Huang Ho (Fiume Giallo) per la Cina, l'Indo e il Gange per l'India.

I grandi bacini fluviali costituivano un'opportunità per la maggior fertilità del suolo e per la facilità dei trasporti, ma determinavano un'organizzazione sociale più complessa necessaria per gestire i conflitti per le risorse e per affrontare la costruzione e manutenzione di imponenti sistemi di irrigazione e di protezione dalle alluvioni.

Minore, ma tutt'altro che trascurabile, fu anche l'importanza dei mari interni, soprattutto il mare Mediterraneo, che facilitavano i commerci e i contatti culturali fra popoli lontani, con la formazione di civiltà prevalentemente dedicate al commercio (anzitutto i Fenici).

L'importanza dell'acqua è riconosciuta nelle religioni e nei sistemi filosofici sin dai tempi antichi. Molte religioni venerano dei legati all'acqua o i corsi d'acqua stessi (ad esempio, il Gange è una dea per l'induismo). Ancora, semidivinità particolari, chiamate Ninfe, sono posti nella mitologia greca a guardia di particolari fonti d'acqua. L'acqua, poi, fu considerata un elemento primigenio presso molti popoli, anche molto lontani fra loro; ad esempio in Cina venne identificata con il caos, da cui ha avuto origine l'universo, mentre nella Genesi compare già nel secondo versetto, prima della luce e delle terre emerse. Anche il filosofo greco Talete associò l'acqua all'origine di tutte le cose e asserì che la sua scorrevolezza è in grado di spiegare anche i mutamenti delle cose stesse. Perfino in Polinesia l'acqua venne considerata la materia prima fondamentale.

Bassorilievo centrale del Trono Ludovisi (Roma, Palazzo Altemps), raffigurante Afrodite che viene sollevata dalle acque.

Con lo sviluppo dei primi sistemi filosofici l'acqua venne affiancata da pochi altri elementi primigenii senza perdere la sua importanza. In tutte le civiltà antiche era molto diffusa la convinzione che la molteplicità della natura postesse essere ricondotta alla combinazione di pochissimi elementi costitutivi: l'acqua, appunto, il fuoco, la terra e l'aria (o il legno) ed eventualmente una quinta essenza. Così ad esempio in oriente il taoismo cinese include l'acqua fra i suoi cinque elementi con terra, fuoco, legno e metallo. In Occidente anche Empedocle (492 a.C. circa – 430 a.C. circa) annoverò l'acqua fra i quattro elementi fondamentali, ai quali Platone nel Timeo aggiunse l'etere. Lo stesso Aristotele (384 a.C. - 322 a.C.) sosteneva che la materia fosse formata dalla interazione dei quattro elementi citati da Empedocle.

L'indispensabilità dell'acqua per il fiorire della vita colpì molte civiltà. Ad esempio, nella lingua sumera "a" significa sia "acqua" sia "generazione". Nella maggior parte delle religioni, quindi, l'acqua è diventata un simbolo di rinnovamento e perciò di benedizione di Dio.[36] Essa compare logicamente nei riti di "purificazione" e di rinascita di molti culti, ad esempio nei riti di immersione del battesimo cristiano ed nei bagni rituali dell'ebraismo e dell'islam. Anche nello scintoismo l'acqua è usata nei rituali di purificazione di persone o luoghi.

L'attribuzione all'acqua di caratteristiche negative è molto più rara e recente. Nel 16° secolo, durante l'epidemia della peste, si pensò che l'acqua favorisse il contagio, "aprendo" i pori della pelle attraverso cui si sarebbero infiltrati i presunti agenti patogeni, chiamati seminaria, per cui si riteneva che il lavaggio del corpo indebolisse l'organismo, ed era pertanto sconsigliato.[37]

Usi dell'acqua

Per approfondire, vedi la voce acqua potabile.

L'acqua riveste un ruolo centrale in una moltitudine di campi. Sostanzialmente si possono suddividere gli usi dell'acqua in:

Sebbene l'acqua ricopra il 71% della superficie terrestre, la maggior parte di questa non è utilizzabile direttamente, in quanto necessita di particolari trattamenti, che sono diversificati a seconda dell'utilizzo a cui l'acqua è destinata.

Trattamenti delle acque

Per approfondire, vedi le voci Depurazione delle acque, Trattamento delle acque reflue, Impianto di depurazione e Acqua potabile.
Vasca di depurazione biologica delle acque reflue.

L'acqua può subire diversi trattamenti per la rimozione di inquinanti e per la correzione di alcune caratteristiche chimico-fisiche; la progettazione di impianti di trattamento richiede delle analisi preliminari dell'acqua grezza che possano esprimere con chiarezza tutte le sostanze in essa contenute (le cui concentrazioni sono solitamente espresse con unità di misura in ppm o ppb) e determinare le sue caratteristiche microbiologiche.

I trattamenti che vengono effettuati sull'acqua dipendono soprattutto dalla loro destinazione, ad esempio l'acqua potabile deve avere un certo contenuto di concentrazione salina, un valore di pH contenuto in un range specifico, una conducibilità limite, assenza di microrganismi indicatori di inquinamento e di patogeni, mentre un tipo di acqua ad uso agricolo sarà più ricca di minerali.

Il trattamento delle acque reflue prevede una serie di operazioni di tipo chimico-fisico e biologico, suddivise in trattamento primario, trattamento secondario e trattamento terziario, oltre ad una serie di operazioni specifiche per il trattamento dei fanghi. I reflui depurati sono generalmente riversati in acque superficiali e devono rispettare i valori limiti di emissione stabiliti dal decreto legislativo n.152/2006, in relazione agli obiettivi di qualità dei corpi idrici riceventi. Lo scarico di un depuratore, infatti, non deve contenere sostanze inquinanti in concentrazioni tali da interferire con la naturale capacità autodepurativa del corpo idrico né compromettere la vitalità e la biodiversità delle comunità biotiche degli ecosistemi acquatici. I reflui depurati, dopo aver subito un idoneo trattamento terziario, comprensivo di filtrazione su sabbia, adsorbimento su carboni attivi, disinfezione con raggi ultravioletti, biossido di cloro, o altri ossidanti, possono essere riutilizzati soprattutto per un uso irriguo o industriale.

Il trattamento per le acque marine consiste principalmente nell'operazione di dissalazione.

Impianto di potabilizzazione delle acque.

I trattamenti per la potabilizzazione si applicano ad acque superficiali naturali, o provenienti da invasi artificiali, con lo scopo di ottenere acque idonee all'uso umano, che rispettino le norme di qualità stabilite dal Decreto legislativo n.31/2001; questi trattamenti comprendono le operazioni di:

  • Sedimentazione
  • Coagulazione
  • Filtrazione
  • Aerazione
  • Trattamento biologico a fanghi attivi
  • Filtri a carbone attivo
  • Purificatori ad osmosi inversa
  • Addolcimento
  • Disinfezione

Naturalmente non tutte le operazioni elencate sono applicate contemporaneamente, ma queste potranno essere assemblate in schemi diversi, secondo il grado d'inquinamento dell'acqua grezza. Ad esempio, un’acqua poco inquinata potrà subire un trattamento più semplice, consistente in una filtrazione su sabbia seguita da disinfezione. Un’acqua dolce superficiale mediamente inquinata, invece, subirà un trattamento più spinto che, secondo uno schema classico, potrà seguire la successione delle seguenti operazioni: sedimentazione, preossidazione con biossido di cloro, ipoclorito di sodio o altri ossidanti, coagulazione-flocculazione-sedimentazione, filtrazione su sabbia, adsorbimento su carboni attivi e disinfezione finale.

L'acqua nell'industria

Una diga di una centrale idroelettrica.

L'acqua è usata in numerosi processi ed apparecchiature industriali, quali ad esempio il motore a vapore, i generatori di vapore, gli scambiatori di calore ed i radiatori, nonché nei processi dell'industria chimica. Infatti, grazie alle sue proprietà chimiche, l'acqua costituisce l'ambiente di reazione e dissoluzione di molte sostanze, e, per le sue caratteristiche termiche, è un ottimo fluido trasportatore di calore. Inoltre l'acqua viene impiegata per la produzione di energia nelle centrali idroelettriche.

Il fabbisogno d'acqua dell'industria viene soddisfatto con prelievi di acque di origine superficiale (dal ridotto contenuto salino ed un basso tenore in ossigeno a causa dell'inquinamento), profonda (maggiori contenuti di anidride carbonica), o molto più raramente di origine atmosferica (in genere corrosive a causa dei gas disciolti); solo in particolari casi si ricorre all'acqua di mare.

Si effettuano perciò trattamenti di natura meccanica, fisica o chimica, in relazione allo stato ed alle dimensioni dei contaminanti, per rendere l'acqua utilizzabile nei processi industriali.

Impianto di depurazione delle acque.

I trattamenti per le acque industriali sono molteplici, e comprendono le operazioni di:

Una forma di inquinamento è rappresentata dallo scarico nell'ambiente di acque residue di processi industriali non opportunamente trattate (inquinamento chimico) o di acque di raffreddamento (inquinamento termico).

Il mercato dell'acqua minerale

Per approfondire, vedi la voce Acqua minerale.
Bottiglie di acqua minerale pronte alla vendita.

Il mercato dell'acqua minerale è l'esempio trattato nel modello dell'oligopolio di Cournot. Si tratta di un mercato a costo variabile marginale, pari a quello della sola bottiglia, e il costo fisso della concessione. Il mercato è molto remunerativo, se si considera che un litro di acqua in bottiglia costa circa quanto 1000 litri di acqua del rubinetto (circa 0,80÷1 euro al m3 di acqua, che equivale appunto a 1000 litri).

Si tratta inoltre di un mercato derivante da un "bisogno indotto", sostenuto dall’incessante pubblicità che conferisce proprietà "quasi miracolose" alla costosissima acqua imbottigliata. All'acqua minerale sono di volta in volta attribuite particolari proprietà nutritive o terapeutiche che l'acqua del rubinetto non dovrebbe possedere, tali da giustificare il costo molto maggiore del litro di acqua in bottiglia.

In realtà l'acqua di rubinetto è strettamente controllata (la legge prevede controlli giornalieri molto severi), e spesso l'acqua che viene distribuita negli acquedotti cittadini è di ottima qualità, anche superiore a quella delle acque in bottiglia (o perlomeno, il suo costo superiore non è giustificato).[38] Non sono necessari neanche i pubblicizzati sistemi di filtraggio, che spesso peggiorano la qualità dell'acqua. [39][40]

La legge italiana impone per l'acqua potabile da rubinetto controlli a frequenza quotidiana, con limiti molto più stringenti e su un numero di parametri molto più alto di quelli previsti per le acque in bottiglia, garantendo una migliore qualità all'acqua del rubinetto rispetto a quella imbottigliata.

La principale voce di costo nel prezzo dell'acqua è quello del trasporto, e come nel caso degli acquedotti, anche per quelle minerali ha poco senso dal punto di vista logistico il trasporto a centinaia di chilometri, se non in altre nazioni. Le acque meno costose sono quindi quelle imbottigliate a livello locale.

La politica dell'acqua

Il conflitto pubblico/privato

L'acqua è un bene insostituibile

L'acqua è considerata parte del demanio che è proprietà di uno Stato[41][42] e di un popolo e, in quanto indispensabile alla vita, l’acqua è da considerarsi un bene comune, a cui tutti devono avere diritto di accesso.
L'accesso all'acqua, vero oro bianco, è fra quelli menzionati nella legge sul servizio universale a livello europeo.[43]

In quanto proprietà delle persone che vivono in un territorio, l'acqua dovrebbe avere un costo soltanto associato alle spese per la sua gestione, per ripagare i costi di depurazione, i controlli e quelli di pompaggio dai fiumi a valle verso i centri abitati posti più in alto.

Molte comunità locali conferiscono la gestione delle acque a società private, con concessioni di 30-40 anni in cambio di un canone annuo corrisposto al comune locale[44][45]. La trivellazione dei terreni fino alle falde acquifere oppure l'imbottigliamento delle acque nelle sorgenti di alta montagna sono operazioni che contribuiscono