I componenti chimici della materia vivente: l'acqua e le sue proprietà

Appunti di biologia

I componenti chimici della materia vivente
Parte prima: l'acqua

Contenuti

• La composizione della materia vivente
• La molecola dell'acqua
• Proprietà fisiche dell'acqua
• Proprietà chimiche dell'acqua

Giancarlo Dessì, https://www.giand.it/appunti
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CC
O
SAIntroduzione
Quanti sono gli elementi chimici che compongono la materia vivente?

• In natura, la materia è composta da quasi cento elementi ma
  solo una ventina formano la materia vivente
  95%:
  – Ossigeno (O)
  – Idrogeno (H)
  – Carbonio (C)
  – Azoto (N)
  1%:
  – Fosforo (P)
  – Zolfo (S)
  4%:
  altri 15 elementi

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaIntroduzione

I composti che formano la materia vivente

MATERIA VIVENTE
ACQUA
SOSTANZA SECCA
dal 60% a oltre il 90% di
una struttura biologica
SOSTANZA
ORGANICA
SALI MINERALI
calcare, fosfato di calcio,
silice, ecc.
COMPOSTI
SEMPLICI
COMPOSTI
MACROMOLECOLARI
alcoli, zuccheri, acidi organici,
amminoacidi, ecc.
POLISACCARIDI
LIPIDI
PROTEINE
ACIDI NUCLEICI
ALTRI

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaLa molecola dell'acqua

La molecola dell'acqua

È composta da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno
I tre atomi sono disposti a formare una V
8+
8 -
La molecola ha una polarità elettrica:
· NEGATIVA (-) dal lato dell'ossigeno
· POSITIVA (+) dal lato degli idrogeni
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
4La molecola dell'acqua

Il legame a idrogeno

Le molecole dell'acqua si legano tra
loro per mezzo di un debole legame
detto legame a idrogeno.
Il legame a idrogeno si forma
tra l'idrogeno di una molecola e l'ossigeno di un'altra
Legami a
idrogeno
Anche se è debole, il legame a idrogeno rende
più intense le forze di attrazione tra le particelle
modificando le proprietà dell'acqua rispetto ad
altre sostanze

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaLa molecola dell'acqua

Coesione e adesione

Grazie al legame a idrogeno, l'acqua ha un'elevata ...
Coesione
Attrazione tra le molecole dell'acqua
Adesione
Attrazione tra le molecole dell'acqua
e materiali con carica di superficie
acqu
vetro
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
6Proprietà fisiche dell'acqua

Proprietà fisiche dell'acqua

La polarità della molecola e l'esistenza del legame a idrogeno rendono l'acqua
"particolare" in alcune proprietà fisiche rispetto ad altre sostanze
Tensione
superficiale
Capillarità
Le molecole della superficie
dell'acqua sono coese
Le molecole dell'acqua vicine alle
pareti aderiscono e risalgono
Calore di
vaporizzazione
Calore
specifico
Per evaporare l'acqua richiede
molto calore
Per riscaldarsi l'acqua richiede
molto calore
Densità
L'acqua liquida è più "pesante" del ghiaccio

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà fisiche dell'acqua

La tensione superficiale

La tensione superficiale è la capacità della
superficie di un liquido di resistere alla "rottura":
le molecole sono coese
La superficie dell'acqua a contatto con l'aria forma una "pellicola"
resistente all'azione di altre forze come la gravità e l'adesione
La tensione superficiale si oppone al
peso di corpi leggeri impedendo che
affondino nell'acqua (es. gli insetti che
camminano sull'acqua o la monetina che
galleggia)
La tensione superficiale raccoglie l'acqua
in gocce sferiche sulle superfici a cui non
aderisce (es. la plastica o l'acciaio)

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà fisiche dell'acqua

La capillarità

La capillarità è un fenomeno che permette ai liquidi come l'acqua di risalire o
essere trattenuti in spazi molto stretti opponendosi la forza di gravità
In prossimità della parete la
superficie dell'acqua non è
orizzontale ma concava per
effetto della risalita
In spazi molto stretti la risalita tende a
prevalere sulla forza di gravità
L'adesione attira le molecole
d'acqua alla parete facendole
risalire (frecce bianche)
La coesione trascina le altre
molecole nella risalita (frecce
gialle)
T
I
Esempi:
La linfa sale nei vasi delle piante, perché hanno un
diametro microscopico
L'acqua sale nei materiali assorbenti perché hanno
pori microscopici (carta assorbente, cotone idrofilo)
L'acqua è trattenuta nel terreno da pori
microscopici

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà fisiche dell'acqua

La densità dell'acqua

La densità è esprime la massa per unità di volume di una sostanza.
Nella maggior parte delle sostanze
Nell'acqua
il solido è più denso del liquido
il ghiaccio è meno denso del liquido freddo
GHIACCIO
ACQUA
molecole più distanziate
molecole più ravvicinate

• Importanza per la vita:
  Il ghiaccio in superficie riceve più facilmente calore e il disgelo è più rapido
• Il ghiaccio permette la vita nell'sotto la superficie

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà fisiche dell'acqua

Il calore specifico dell'acqua

Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per far
aumentare di 1 grado la temperatura di un grammo di quella sostanza
L'acqua ha un elevato
calore specifico
Si riscalda lentamente
assorbendo molto calore
Si raffredda lentamente
rilasciando molto calore
Importanza per la vita:
L'acqua rende più stabile l'ambiente alle variazioni di temperatura opponendosi all'eccessivo
riscaldamento e all'eccessivo raffreddamento

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà fisiche dell'acqua

Il calore di vaporizzazione dell'acqua

Il calore di vaporizzazione di una sostanza è la quantità di calore necessaria per
far passare allo stato aeriforme un grammo di quella sostanza
L'acqua ha un elevato calore di
vaporizzazione
Assorbe molto calore per
passare allo stato di vapore
Importanza per la vita:
L'evaporazione dell'acqua assorbe grandi quantità di calore sottraendolo al riscaldamento.
Molti organismi sfruttano questa proprietà per regolare la temperatura.
Esempi: la traspirazione delle piante, la termoregolazione nei mammiferi e negli uccelli

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà chimiche dell'acqua

Proprietà chimiche dell'acqua

Le proprietà chimiche dell'acqua si manifestano nel
suo comportamento come solvente
Potere
solvente
Capacità di disperdere
(sciogliere) sostanze che
presentano specifiche proprietà
Acidità delle
soluzioni
acquose
Attività chimica delle soluzioni
che hanno soluti con proprietà
acide o basiche

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà chimiche dell'acqua

Potere solvente dell'acqua

L'acqua è il più importante solvente dei sistemi biologici
Parole chiave
Questi riquadri richiamano alcuni
concetti di base incontrati
nell'insegnamento di Chimica.
Se conosci già il loro significato
passa alla slide successiva
Parole chiave
Soluzione: miscuglio omogeneo tra una sostanza
disperdente ("scioglie") e una o più sostanze disperse
("sciolte")
miscuglio perché composto da più sostanze
omogeneo perché i componenti non sono distinguibili
Solvente: è la sostanza disperdente e conferisce le
proprietà fisiche generali alla soluzione
Soluto: è la sostanza dispersa e conferisce alla soluzione
alcune proprietà fisiche che la rendono diversa dal
solvente puro
Esempio
Acqua: liquido e insapore
Sale: solido e di sapore salato
La soluzione del sale in acqua
È liquida, perché il solvente (l'acqua) è liquida
Ha sapore salato, perché il soluto (il sale) è salato
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
14Proprietà chimiche dell'acqua

Sono solubili in acqua solo le sostanze composte da:
Particelle con carica elettrica (es. sale da cucina)
Molecole polari (es. zucchero, alcool, ammoniaca, ecc.)
Queste sostanze sono dette
idrofile
Sono insolubili in acqua le sostanze composte da molecole
non polari (es. benzina, olio, ecc.)
Le molecole dell'acqua non possono formare legami con le
molecole di queste sostanze e non possono pertanto
disperderle
Queste sostanze sono dette
idrofobiche
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
15Proprietà chimiche dell'acqua

Acidità delle soluzioni

Nell'acqua pura e nelle soluzioni neutre sono presenti ioni idrogeno (H+) e ioni
ossidrile (OH-) in quantità uguale
I composti acidi (es. HCl) fanno
aumentare la quantità di ioni idrogeno e
diminuire quella di ioni ossidrile
HCl
H+ + Cl-
NaOH
Na+ + OH-
I composti basici (es. NaOH) fanno
aumentare la quantità di ioni ossidrile e fanno
diminuire quella di ioni idrogeno
L'acidità di una soluzione esprime la quantità di ioni idrogeno e nella pratica si
misura con un indice numerico, detto pH
Concentrazione di ioni H+
PH
Soluzione
Maggiore di quella di ioni OH-
Minore di 7
ACIDA
Uguale a quella di ioni OH-
Uguale a 7
NEUTRA
Minore di quella di ioni OH-
Maggiore di 7
BASICA

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Componenti chimici della materia vivente: l'acquaProprietà chimiche dell'acqua

Acidità delle soluzioni: importanza

Il pH di una soluzione è causa della sua attività chimica.
In generale l'attività chimica di una soluzione aumenta quanto più il pH si avvicina
ai valori estremi: molto alto (prossimo a 14) o molto basso (prossimo a 0).
Questa attività si manifesta spesso con fenomeni la corrosione o la distruzione
di una struttura
Negli organismi viventi una modifica del pH può portare alla distruzione o
all'inattivazione di una biomolecola e, di conseguenza, il danneggiamento di una
struttura biologica (tessuto, organo) o il suo cattivo funzionamento
Per prevenire questi fenomeni, gli organismi viventi hanno sviluppato sistemi di
protezione che stabilizzano il pH, detti sistemi tampone
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
17Proprietà chimiche dell'acqua

Esempi di pH

0
Acido muriatico
1
Succo gastrico
2
Succo di limone
Alcuni esempi di pH
3
Aceto
Coca cola
Pomodoro
4
Frutta
5
Pelle
Acqua piovana
6
Urina
Carne
Latte
7
Acqua pura
Sangue
8
Uovo
Acqua marina
9
Sapone
Bicarbonato
10
Ammoniaca
Cenere
11
12
13
14
18
Componenti chimici della materia vivente: l'acqua
Varecchina
Soda caustica