Chimica per il liceo/L'acqua: differenze tra le versioni

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Il tavolo è in legno, il legno è un prodotto biologico ottenuto naturalmente attraverso una serie di reazioni chimiche, la prima fondamentale è la '''fotosintesi clorofilliana''', reazione in cui '''l’acqua è uno dei reagenti'''.  I muri della stanza sono in calcestruzzo, rivestiti di intonaco bianco. Il calcestruzzo è un miscuglio di: cemento, materiali inerti (sabbia o ghiaia) '''e acqua'''. Per l’intonaco il discorso è molto simile. Per il pc posto sopra il tavolo (e in generale per qualsiasi pc) è stato stimato che la produzione e l’imballaggio dei singoli componenti richiedono '''1500 litri d’acqua'''. L’elenco potrebbe continuare, fatelo per esercizio. Qui concludiamo con la cosa più importante: l’esistenza stessa di Mario (e di tutti noi). Nell’uomo la '''percentuale in peso di acqua''' varia tra il 50% e l’80% a seconda dell’età e del sesso.
 
[[File:HH46-47 embedded outflow it.jpg|miniatura|439x439px|Diagramma che mostra la composizione della nebulosa di Herbig-Haro HH46, al cui interno sono state rinvenute consistenti quantità di ghiaccio d'acqua]][[File:Watermolecule.svg|miniatura|317x317px|Dimensioni della molecola d'acqua e polarità del legame covalente|sinistra]]Cerchiamo dunque di conoscere un po’ meglio questa sostanza. È composta da una semplice molecola: '''H<sub>2</sub>O''', ovvero due atomi di idrogeno legati chimicamente a un atomo di ossigeno. Con ciò che abbiamo capito nei precedenti capitoli siamo in grado di determinare il '''peso molecolare'''. Conoscendo il peso molecolare possiamo svolgere dei calcoli interessanti per esempio sapere quante molecole ci siamo appena bevuti svuotando un bicchiere da 0,2 l. Provateci, dovreste ottenere un numero vicino alle <math>6,7*10<sup>\cdot10^{-24}</supmath> molecole. Questo calcolo permette inoltre di farsi un’idea delle dimensioni estremamente ridotte (rispetto alla scala umana) della molecola.
 
Nonostante l’acqua ci sia molto familiare ancora non è chiaro il motivo per cui il nostro pianeta ne sia così ricco. Grazie a tecnologie di rilevamento sempre più sofisticate si è potuto però constatare la presenza di acqua in vari contesti spaziali. Per esempio '''l’acqua è presente nell’atmosfera di alcuni pianeti del sistema solare. Oppure in certe regioni delle nebulose planetarie.'''
'''La densità è definita come il rapporto tra la massa e il volume di un corpo.'''
[[File:Densità dell'acqua alla pressione di 1 atmosfera.jpg|miniatura|500x500px|Densità dell'acqua in funzione della temperatura. ]]
Per abitudine tendiamo ad attribuire a ciascun materiale una sua propria densità caratteristica. Per l’acqua, ad esempio, si assume comunemente il valore di 1000 <math>(kg/m^3)</math>. In realtà questo valore è corretto solo per l’acqua pura alla temperatura di 20 °C e alla pressione di 5 MPa, cioè circa 49 volte la pressione atmosferica standard. Questo valore è dunque una comoda approssimazione utile a semplificare i conti.
In realtà questo valore è corretto solo per l’acqua pura alla temperatura di 20 °C e alla pressione di 5 MPa, cioè circa 49 volte la pressione atmosferica standard.
Questo valore è dunque una comoda approssimazione utile a semplificare i conti.
 
La densità della materia dipende dagli atomi o molecole che la compongono e dalla disposizione di questi nello spazio. Pressione e temperatura influiscono su tale disposizione. Conseguentemente la densità di un materiale (sostanza o composto) dipende dalla pressione alla quale è confinato e dallo stato di agitazione delle particelle che lo compongono, ovvero dalla sua temperatura.
Pressione e temperatura influiscono su tale disposizione. Conseguentemente la densità di un materiale (sostanza o composto) dipende dalla pressione alla quale è confinato e dallo stato di agitazione delle particelle che lo compongono, ovvero dalla sua temperatura.
 
Nel caso dell'acqua distillata possiamo osservare ciò che accade analizzando il grafico proposto a destra.
'''Il calore specifico è definito come la quantità di calore assorbita o ceduta da una sostanza quando la sua temperatura varia di 1°C.'''
[[File:Joule's heat apparatus.JPG|miniatura|Mulinello a palette simile a quello utilizzato da Joule.]]
Nel caso dell’acqua il calore specifico è pari a <math> 4186\ J/kg \cdot K</math>. Questa è l’energia da fornire a 1 kg di acqua distillata per aumentare di un grado la sua temperatura. Nel verso opposto è la quantità di energia che 1 kg d’acqua libera quando la sua temperatura diminuisce di un grado. Come si è arrivati a questo valore? Nella figura a destra potete vedere un apparato sperimentale simile a quello adottato da Joule, si tratta di un rudimentale calorimetro. Osservando come è costruito; si può capire molto di ciò che intendeva fare il fisico inglese. Intuì che ci dovesse essere una relazione tra l’energia meccanica e il calore. L’azione manuale mette in rotazione le palette, le quali per attrito viscoso trasmettono il moto alle molecole d’acqua. L’effetto macroscopico è un aumento della temperatura della massa d’acqua dovuto ad un aumento dell'energia delle singole molecole.
Nel caso dell’acqua il calore specifico è pari a 4186 <math> J/kg \cdot K</math>.
Questa è l’energia da fornire a 1 kg di acqua distillata per aumentare di un grado la sua temperatura. Nel verso opposto è la quantità di energia che 1 kg d’acqua libera quando la sua temperatura diminuisce di un grado.
Come si è arrivati a questo valore? Nella figura a destra potete vedere un apparato sperimentale simile a quello adottato da Joule, si tratta di un rudimentale calorimetro.
Osservando come è costruito; si può capire molto di ciò che intendeva fare il fisico inglese. Intuì che ci dovesse essere una relazione tra l’energia meccanica e il calore. L’azione manuale mette in rotazione le palette, le quali per attrito viscoso trasmettono il moto alle molecole d’acqua. L’effetto macroscopico è un aumento della temperatura della massa d’acqua dovuto ad un aumento dell'energia delle singole molecole.
 
Il valore 4186 <math> 4186\ J/kg \cdot K</math> corrisponde a 1 kilocaloria simbolo kcal l’unità di misura è utilizzata soprattutto in ambito nutrizionale. Trovate infatti la resa energetica dell’alimento scritto nella confezione. Per esempio in una barretta di cioccolata è riportato il valore di 539 Kcal per 100 g di prodotto. Questo significa che i processi metabolici nel nostro organismo sono in grado di ottenere quel quantitativo energetico dalla combustione di quell'alimento. In riferimento all’acqua è sufficiente l’equivalente energetico fornito da 1g di cioccolato per innalzare la temperatura di 1L di acqua di circa 5 °C.
 
Il calore specifico dell'acqua risulta essere molto elevato, nella tabella sottostante potete confrontarlo con quello di altre sostanze.
=== Potere solvente ===
[[File:Na+H2O.svg|miniatura|273x273px|Come le molecole d'acqua circondano e mantengono in soluzione lo ione sodio]]
Quando diciamo di bere un tè, un caffè o un succo di frutta o qualsiasi altra cosa non dobbiamo dimenticare che stiamo bevendo soprattutto acqua. Ciò che beviamo è dunque una '''soluzione acquosa''' in cui il solvente (l'acqua) è in quantità predominanti sul soluto. L'acqua dunque, oltre alle già discusse proprietà, è dotata di un elevato potere solvente ovvero ha la capacità di dissociare (sciogliere) i composti ionici e le molecole polari.
 
Ciò che beviamo è dunque una '''soluzione acquosa''' in cui il solvente (l'acqua) è in quantità predominanti sul soluto.
L'acqua dunque, oltre alle già discusse proprietà, è dotata di un elevato potere solvente ovvero ha la capacità di dissociare (sciogliere) i composti ionici e le molecole polari.
Vediamo come ciò avviene:
Praticamente tutti i '''composti ionici''' sono '''elettroliti forti''' (sali solubili; basi solubili dei metalli alcalini e di alcuni metalli alcalino terrosi) a questi si aggiungono gli acidi inorganici fortemente polarizzati. Mentre la maggior parte dei '''composti molecolari''' sono '''elettroliti deboli o non elettroliti''' (basi poco solubili dei metalli di transizione; molti acidi inorganici; basi organiche; acidi organici)
Una delle conseguenze di questa dispersione ionica all'interno delle soluzioni acquose è la '''capacità di conduzione dell'elettricità.''' L'applicazione di una differenza di potenziale infatti mette in moto e ordina gli ioni dispersi consentendo la conduzione elettrica.
'''L'acqua distillata''' quindi '''non conduce l'elettricità''' a meno di debolissime correnti dovute all'autoionizzazione delle molecole d'acqua.
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La parola '''acido''' deriva dal latino ''acidus ''traducibile in '''aspro''' mentre '''base''' deriva dall'arabo ''al-qali'' riferito alle ceneri di certe piante dalle quali si potevano estrarre '''sostanza alcaline''', '''basiche''' per l'appunto.
 
Il concetto acido-base rappresenta uno dei temi più dibattuti nella storia della chimica. Questo a testimonianza dell'importanza e della quotidianità con cui da sempre ci imbattiamo in questo tipo di soluzioni.
 
Se all'improvviso qualcuno ci chiedesse di nominare un acido probabilmente risponderemo dicendo '''acido cloridrico''' o '''acido solforico''', se ci venisse chiesto invece di nominare una base di solito i primi composti che vengono in mente sono il '''bicarbonato di sodio''' oppure la soda caustica ovvero '''l'idrossido di sodio''', utilizzato industrialmente per la produzione di '''ipoclorito di sodio''' che non è altro che la '''candeggina''' comunemente usata per disinfettare sanitari e pavimenti.
 
E se ci venisse chiesto qual è la differenza tra un acido e una base?
 
Cominciamo con il chiarire di che cosa stiamo parlando. Prendiamo ad esempio '''l'acido cloridrico''' (o più propriamente '''cloruro di idrogeno''' secondo la nomenclatura IUPAC). A temperatura e pressione ambiente esso è un composto allo stato gassoso, incolore e dall'odore pungente. Tossico se respirato in grande concentrazione. In acqua invece libera tutto il suo potere corrosivo, perché?
In acqua invece libera tutto il suo potere corrosivo, perché?
 
Consideriamo la reazione di dissociazione.
Come visto nel paragrafo precedente vengono liberati in soluzione gli ioni H<sup>+</sup> e Cl<sup>-</sup>. Gli ioni H<sup>+</sup> hanno una grande mobilità e tendono a combinarsi con le molecole d'acqua per formare lo ione ossonio idrato o idronio:
 
H<sup>+</sup> + H<sub>2</sub>O→ H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> ⇐ Questo catione esercita la sua elettronegatività attirando elettroni:
Questo catione esercita la sua elettronegatività attirando elettroni:
 
2H<sub>3</sub>O<sup>+</sup> + 2e <sup>-</sup>→H<sub>2</sub> + 2H<sub>2</sub>O Ma chi può fornire gli elettroni?
 
Ma chi può fornire gli elettroni?
 
QuelliQuegli elementi che possono cederli:, ovvero i metalli. Gli acidi quindi, sequestrando elettroni, distruggono i reticoli cristallini dei metalli provocando quella che a livello macroscopico è chiamata '''corrosione.'''
 
Quelli elementi che possono cederli: ovvero i metalli. Gli acidi quindi, sequestrando elettroni, distruggono i reticoli cristallini dei metalli provocando quella che a livello macroscopico è chiamata '''corrosione.'''
Naturalmente gli acidi intaccano non solo i solidi inorganici ma, con analogo meccanismo, anche i composti biologici.
 
NaOH<sub>(s)</sub> → Na<sup>+</sup><sub>(aq)</sub>+ OH<sup>-</sup><sub>(aq)</sub>
In questo caso lo ione libero OH<sup>-</sup> va ad aggredire le porzioni positive dei composti molecolari o i cationi nei composti ionici. L'effetto corrosivo è equiparabile.
 
 
 
Sulla base di numerose osservazioni il chimico svedese Svante Arrhenius nel 1887 formulò la prima teoria relativa agli acidi e le basi.
 
{{Colore di sfondo|#feffaa|'''Acido: specie chimica che in soluzione acquosa aumenta la concentrazione degli ioni idrogeno H<sup>+</sup>''' }}
 
''{{Colore di sfondo|#feffaa|'''Base: specie chimica che in soluzione acquosa aumenta la concentrazione degli ioni idrossido OH<sup>-</sup>''' }}
 
'''GRADO DI ACIDITÀ DI UNA SOLUZIONE: pH'''
 
Il phpH è un intervallo di valori che va da 0 a 14. Questa numerazione è ottenuta per via matematica partendo dalla concentrazione in soluzione degli ioni H<sup>+</sup>.
 
Ciò che ci interessa in questo momento è saper dire se una soluzione è acida o basica.
 
È neutra se il pH è =7.
 
Per determinare il valore nella scala del pH può essere utilizzata la cartina indicatrice acido-base anche chiamata cartina tornasole. È sufficiente inserire la cartina all'interno della soluzione. La porzione bagnata assumerà una colorazione che potrà andare dal viola al blu. Il viola è indice di una soluzione estremamente acida, mentre il blu indica invece una soluzione estremamente basica.
È sufficiente inserire la cartina all'interno della soluzione. La porzione bagnata assumerà una colorazione che potrà andare dal viola al blu.
Il viola è indice di una soluzione estremamente acida, mentre il blu indica invece una soluzione estremamente basica.
 
== Attività ==
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