FAQ sulla chimica avanzata dell'acqua

Come sono tenute insieme le molecole d'acqua?

Gli atomi di idrogeno sono attratti ad altri atomi come gli atomi di ossigeno, perché gli elettroni sono attirati più vicino all'atomo di ossigeno, a causa della sua attrazione piu' forte per gli elettroni. Di conseguenza l'atomo di ossigeno ha una carica parziale leggermente negativa e gli atomi di idrogeno hanno una carica parziale leggermente positiva. Gli atomi di idrogeno aventi una leggera carica positiva sono quindi attratti dagli atomi di ossigeno aventi una leggera carica negativa delle altre molecole di acqua. Tali forze dell'attrazione sono denominate legami ad idrogeno. Le forze che tengono insieme due molecole in un legame a idrogeno sono molto più forti di quelle esistenti fra le molecole e gli idrocarburi. L'attrazione fra l'idrogeno e gli atomi di ossigeno provoca un punto di ebollizione molto più alto di acqua rispetto ad una molecola differente avente la stessa massa.
I legami ad idrogeno possono anche essere formati fra gli atomi di idrogeno e di zolfo o azoto, tipicamente gruppi NH^2- e di SH^-.

In questa immagine si puo vedere come appaiono i legami a idrogeno in acqua:

Lagami a idrogeno

Come evapora l'acqua?

Per far evaporare l'acqua bisogna aggiungere energia. Le molecole di acqua nell'acqua assorbono tale energia individualmente. A causa di tale assorbimento di energia i legami ad drogeno che collegano le molecole di acqua una all'atra si romperanno. Le molecole sono ora in fase gassosa; essa è denominata vapore acqueo. Il cambiamento di fase da liquido a vapore è detto evaporazione. Durante l'evaporazione una molecola di acqua assorbe calore latente.

Quali sono le proprieta' termiche dell'acqua?

Le proprietà termiche di un liquido sono proprietà che riguardano esclusivamente lo scambio di calore attraverso tale liquido. Le proprietà termiche si possono dividere in calore specifico e calore latente.

Il calore specifico è la quantità di calore per unita' di massa richiesta per elevare la temperatura di un liquido di un grado centigrado. Il rapporto fra calore e variazione di temperatura è espresso solitamente attraverso la seguente relazione, dove la c è il calore specifico.

Q = c*m*dT

Q = calore aggiunto
c = calore specifico
m = massa
dT = cambio di temperature

Il calore specifico di un liquido è espresso in chilo joule per chilogrammo, per grado centigrado. Il calore specifico dell'acqua è di 4.18 kJ/kg * ^oC a 0^oC.

Calore latente significa energia assorbita dalle molecole dell'acqua, per volatilizzarsi. È calore che è nascosto nella molecola di acqua e che viene usato quando l'acqua è riscaldata. Quando l'acqua si raffredda l'energia è nascosta nuovamente all'interno della molecola.
Il calore latente è espresso in chilo joule per chilogrammo (kJ/kg). Il calore latente dell'acqua è di 2250 kJ/kg a pressione normale e ad una temperatura di 100^oC.

Come si determina la solubilita' dei gas in acqua?

La legge di Henry determina la solubilità dei gas in acqua. Tale legge lega la pressione parziale di un gas alla relativa frazione molare nella fase liquida e così stabilisce quanto un gas è dissolto. Secondo i calcoli da legge di Henry l'ossigeno è più solubile in acqua rispetto all'azoto.
La legge di henry stabilisce quanto segue:
P = H * x
in cui p è la pressione parziale di un gas, H è una costante che differisce per ogni gas e x è la frazione molare del gas nella fase liquida.
Alcuni gas hanno un modo speciale di comportarsi quando sono dissolti. L'anidride carbonica, l'acido solforico ed i vari agenti volatili, come il cloruro di idrogeno, si dissolvono e quindi riassociano. Il loro coefficente di solubilità è molto superiore a quello di altri gas.

Come si determina la solubilita' dei liquidi in acqua?

Le molecole di acqua sono polari. Ecco perchè la solubilità di un liquido è determinata dalla sua polarità. Le sostanze polari contengono spesso gruppi OH^-, NH^2- e SH^-. Tanto maggiore e' la quantita' di tali gruppi che un liquido contiene, tanto più solubile esso e' in acqua. Ciò avviene perché i gruppi in questione possono formare legami a idrogeno con l'acqua, che sono molto forti. dal momento che tali legami sono molto forti, una molecola che contiene più gruppi OH^-, NH^2- e SH^- è più solubile in acqua.

Cosa sono ossidazione e riduzione?

L'acqua può partecipare alle reazioni di riduzione e di ossidazione. L'acqua può essere un donatore di elettroni; ciò si definisce agente riducente. Il tipo di reazione in cui un composto acquista elettroni è detto reazione di ossidazione. Il ricettore degli elettroni è detto l'ossidante. Di solito da tale tipo di reazioni si genera ossigeno. L'acqua può anche fungere da ricettore di elettroni, un ossidante. Il tipo di reazione dove un composto riceve elettroni è denominato una reazione di riduzione.

Esempio di reazione redox tra rame (Cu) and zinco (Zn):
Cu²⁺(aq) + Zn(s) -> Zn²⁺(aq) + Cu(s)

Se dividiamo tale reazione in due parti possiamo individuare separatamente le reazioni di ossidazione e di riduzione degli elettroni (e^-):
Zn(s) -> Zn²⁺ + 2e^- (ossidazione)
Cu²⁺(aq) + 2e^- -> Cu(s) (riduzione)

In tale reazione lo zinco e' il donatore di elettroni, quindi l'agente riducente. Il rame e' l'agente ossidante, poiche esso e' il ricettore di elettroni.