La chimica dell'acqua: elementi essenziali e tensione superficiale

Lezione 2

La chimica dell'acqua

Le sostanze che formano i viventi

Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020 ZANICHELLILe sostanze che formano i viventi Gli elementi chimici più abbondanti negli organismi sono carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Alcuni elementi, detti oligoelementi, sono essenziali anche se in quantità molto piccole (es. iodio). Tra tutte le sostanze (composti) presenti nei viventi, l'acqua è quella più abbondante.

• Ossigeno 65,0 %
• Carbonio 18,5 %
• Idrogeno 9,5 %
• Azoto 3,3 %
• Calcio 1,5 %
• Fosforo 1,0 %
• Potassio 0,4 %
• Zolfo 0,3 %
• Sodio 0,2 %
• Cloro 0,2 %
• Magnesio 0,1 %

Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020 ZANICHELLIL'acqua negli esseri viventi

L'acqua negli esseri viventi: funzioni e composizione

L'acqua negli esseri viventi svolge molte funzioni:

• Agisce da solvente
• Prende parte a reazioni chimiche come prodotto o reagente (es. nella respirazione e fotosintesi)
• Funge da liquido di trasporto

35% solidi Il liquido extracellulare comprende tutti i fluidi esterni alle cellule. Oltre al plasma e al liquido interstiziale, una piccola quantità di acqua è presente all'interno di alcuni organi, come l'occhio e il sistema nervoso centrale. liquidi corporei 2/3 liquido intracellulare 65% liquidi liquido extracellulare 1/3 liquido extracellulare 80% liquido interstiziale 20% plasma

Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020 ZANICHELLIL'acqua: una sostanza molto speciale

Formula chimica e polarità dell'acqua

Formula chimica della molecola: H2O H C b. H 104,5° a. c. H2O a. modello molecolare b. formula di struttura

• 1 atomo di ossigeno (O) c. formula grezza
• 2 atomi di idrogeno (H) Legami
• 2 legami covalenti semplici (O-H) formano fra loro un angolo di 104,5° Polarità
• L'atomo di ossigeno ha una parziale carica negativa, ciascun atomo di idrogeno ha una parziale carica positiva IUPAC UNIONE INTERNAZIONALE DI CHIMICA PURA ED APPLICATA Temperatura di fusione (alla pressione di 1 atm): 0 °℃ (273,15 K) Temperatura di ebollizione (alla pressione di 1 atm): 100 ℃ (373,15 K)

Posca, Fiorani Chimica più @ Zanichelli editore 2017 0 AtomiCome è fatta la molecola d'acqua? 8- I + H H + + + + + + + 8+ I legami O-H sono covalenti polari. Infatti, l'ossigeno attira fortemente gli elettroni di legame, spostando la loro carica negativa su di sé, mentre sugli atomi di idrogeno si accumula una parziale carica positiva. La distribuzione asimmetrica della carica elettrica rende la molecola polare.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 ZANICHELLI 5Come è fatta la molecola d'acqua?

Orientamento molecolare e legami a idrogeno

• Immaginiamo di avvicinare sempre di più fra loro queste molecole. Come si orienteranno una rispetto all'altra?
• La presenza di cariche parziali positive sugli atomi H e negative sugli atomi O fa orientare le molecole in modo che gli atomi di ossigeno e di idrogeno siano vicini tra di loro.
• Quando le molecole di acqua sono sufficientemente vicine tra esse si forma un legame a idrogeno, un particolare esempio di legame intermolecolare.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 6 ZANICHELLILe proprietà dell'acqua

Legami a idrogeno tra molecole d'acqua

H 8+ 8- 8- O H 0/ % 8+ H H 8- δ- legame a idrogeno I legami a idrogeno fanno sì che tutte le molecole d'acqua siano legate tra loro da legami intermolecolari. Una singola molecola d'acqua può formare fino a 4 legami a idrogeno con altre molecole d'acqua. ossigeno idrogeno io .io legame a idrogeno H - 8 O H legame a idrogeno io ... jo O idrogeno ossigeno

Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020 ZANICHELLI 00 8+ 8+ O 8+1. La densità dell'acqua

Densità dell'acqua allo stato solido

...... ..... H H H . O H A .. .. H o H H H H. .. O H O O H H H H . H O H H H A O H H ..... o H O O . H o A H A · H H H H H H H H H H · .. O O H I H H H A O O H H O A .. .. H O H o o H O H H H .... H Allo stato solido le molecole dell'acqua sono orientate in modo che i legami a idrogeno siano tutti presenti e trattengano le molecole a una distanza ottimale.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 8 ZANICHELLI ..... H H H O O H H . . O ... .. o O H ....... H · Ab ... O O H O o H o ...... · ...... H O H ... H H A H o H ....... o .......... O1. La densità dell'acqua

Densità dell'acqua liquida e solida

• La formazione di legami a idrogeno comporta un allontanamento delle molecole d'acqua passando allo stato solido.
• A differenza di quanto avviene per la maggior parte dei materiali, la densità dell'acqua solida (ghiaccio) è quindi minore di quella dell'acqua liquida.
• La massima densità dell'acqua è a 4° C.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 ZANICHELLI 91. La densità dell'acqua

Importanza della densità dell'acqua per la vita

Questo fenomeno è di incredibile importanza per la vita. È possibile vivere negli oceani sotto la calotta polare, e negli abissi oceanici la temperatura rimane sempre superiore a 0° C.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 10 ZANICHELLI2. Il calore specifico dell'acqua

Definizione di calore specifico

Il calore specifico è la quantità di energia che deve assorbire (o cedere) 1 kg di materiale per aumentare (o diminuire) di 1 K la sua temperatura.

Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 11 ZANICHELLI2. Il calore specifico dell'acqua

Elevato calore specifico dell'acqua

• L'acqua ha un elevato calore specifico. Quindi, per raggiungere la temperatura di 100° C l'acqua deve assorbire un'elevata quantità di calore.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 12 ZANICHELLI3. La tensione superficiale dell'acqua

Comportamento dell'acqua e tensione superficiale

La tensione superficiale fa sì che l'acqua si comporti come una pellicola, e che le gocce d'acqua siano sferiche.

Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 13 ZANICHELLI3. La tensione superficiale dell'acqua

Forze attrattive e contrazione superficiale

Le forze attrattive che agiscono sulle molecole di superficie non sono bilanciate: ciascuna molecola di superficie risente di una forza che la attira verso l'interno e, per questo motivo, la superficie tende a contrarsi.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 14 ZANICHELLI3. La tensione superficiale dell'acqua

Tensione superficiale e forma sferica

La tensione superficiale è la tendenza delle molecole della superficie a lasciarsi attrarre verso l'interno.

• A causa della tensione superficiale il liquido tende ad assumere la forma che gli permette di avere la minore area superficiale (la forma sferica).

Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 15 ZANICHELLI4. La capillarità dell'acqua

Fenomeno della capillarità

• Se immergiamo un tubicino di vetro (capillare) in acqua, essa penetra nel tubicino e raggiunge un'altezza tanto più alta quanto più è stretto il tubicino.
• Questo fenomeno è chiamato capillarità.

h5 h4 3 h2 h1

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 16 ZANICHELLILa tensione superficiale e la capillarità sono dovute alle proprietà chimiche e fisiche dell'acqua:

Coesione e adesione dell'acqua

• coesione, cioè attrazione reciproca tra le molecole d'acqua attraverso il legame a idrogeno;
• adesione, cioè affinità chimica delle molecole d'acqua per il vetro, dovuta alla loro polarità.

Menisco concavo Menisco convesso - Acqua Mercurio

Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 17 ZANICHELLIL'acqua come solvente

L'acqua come solvente: teina e catechina

Molte sostanze tendono spontaneamente a miscelarsi con l'acqua. La teina e la catechina sono sostanze che si liberano dalle foglie di tè messe in infusione in acqua calda, formando una soluzione acquosa.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 18 ZANICHELLIL'acqua come solvente

Formazione di una soluzione acquosa

• Perché si formi una soluzione (cioè un miscuglio omogeneo), si devono rompere i legami tra le particelle di soluto e molti dei legami tra le particelle di solvente.
• Al loro posto si formano legami tra le particelle del soluto e del solvente.

Valitutti, Tifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore 2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 19 ZANICHELLITramite gli atomi O H2O solvata Na+ H O H CI- Na+ CI Na+ cl- Na CI Na+ cl Na+ CI Na+cl Na+ Na+ CI- H CI Na+ CI H+ O Nat Na+ CI Na+ CI Osserva il comportamento di NaCl: Le molecole d'acqua indeboliscono i legami interni al cristallo di sale. Nella maggioranza dei casi gli ioni del composto vengono liberati e circondai da molecole d'acqua, in un processo detto dissociazione. Tramite gli atomi H HỌC solvata Cl- 2

Autore, Autore, Autore Titolo @ Zanichelli editore 2009 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 20 ZANICHELLI CI-L'acqua come solvente

Classificazione delle sostanze in base all'affinità con l'acqua

Tutte le sostanze possono essere classificate in base alla loro affinità con l'acqua:

• Idrofile: sono sostanze solubili in acqua (cioè che si sciolgono in acqua).
• Idrofobe: sono sostanze insolubili in acqua. Regola generale: IL SIMILE SCIOGLIE IL SIMILE. Quindi solventi polari sciolgono soluti polari (es. zucchero, sale), mentre solventi apolari sciolgono soluti apolari.

itti ifi, Gentile La chimica della Natura @ Zanichelli editore .2011 Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino, Scopriamo la biologia @ Zanichelli editore 2018 21 ZANICHELLISolventi

Sostanze chimiche utilizzate come solventi

Sostanze chimiche utilizzate come solventi

Solventi polari Solventi apolari o poco polari acqua (H2O) tetracloruro di carbonio alcol etilico (C2H5OH) esano (C6H14) acetone (CH3COCH3) cloroformio (CHCI3) alcol metilico (CH3OH) dietiletere (C2H5OC2H5)

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