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L’acqua è la sostanza chimica con formula chimica H
2O; una molecola di acqua ha due atomi di idrogeno legati covalentemente a un singolo atomo di ossigeno.L’acqua è un liquido insapore e inodore a temperatura e pressione ambiente. L’acqua liquida ha bande di assorbimento deboli a lunghezze d’onda di circa 750 nm che fanno sembrare di avere un colore blu. Questo può essere facilmente osservato in un bagno o lavabo pieno d’acqua il cui rivestimento è bianco. Anche i grandi cristalli di ghiaccio, come nei ghiacciai, appaiono blu.,

In condizioni standard, l’acqua è principalmente un liquido, a differenza di altri idruri analoghi della famiglia dell’ossigeno, che sono generalmente gassosi. Questa proprietà unica dell’acqua è dovuta al legame dell’idrogeno. Le molecole d’acqua si muovono costantemente l’una sull’altra e i legami idrogeno si rompono e si riformano continuamente a intervalli temporali più veloci di 200 femtosecondi (2×10-13 secondi).Tuttavia, questi legami sono abbastanza forti da creare molte delle proprietà peculiari dell’acqua, alcune delle quali lo rendono parte integrante della vita.,

Acqua, ghiaccio e vapourEdit

All’interno dell’atmosfera e della superficie terrestre, la fase liquida è la più comune ed è la forma che viene generalmente indicata con la parola “acqua”. La fase solida dell’acqua è nota come ghiaccio e prende comunemente la struttura di cristalli duri e amalgamati, come cubetti di ghiaccio o cristalli granulari accumulati liberamente, come la neve. Oltre al ghiaccio cristallino esagonale comune, sono note altre fasi cristalline e amorfe del ghiaccio. La fase gassosa dell’acqua è nota come vapore acqueo (o vapore)., Vapore visibile e nuvole si formano da minuscole goccioline d’acqua sospese nell’aria.

L’acqua forma anche un fluido supercritico. La temperatura critica è 647 K e la pressione critica è 22.064 MPa. In natura questo si verifica solo raramente in condizioni estremamente ostili. Un probabile esempio di acqua supercritica naturale è nelle parti più calde delle bocche idrotermali in acque profonde, in cui l’acqua viene riscaldata alla temperatura critica da pennacchi vulcanici e la pressione critica è causata dal peso dell’oceano alle profondità estreme in cui si trovano le bocche., Questa pressione viene raggiunta a una profondità di circa 2200 metri: molto meno della profondità media dell’oceano (3800 metri).

capacità termica e calori di vaporizzazione e fusionEdit

l’Acqua ha un elevato calore specifico e capacità di 4181.4 J/(kg·K) a 25 °C – il secondo più alto tra tutti i heteroatomic specie (dopo ammoniaca), nonché un elevato calore di vaporizzazione (40.,65 kJ / mol o 2257 kJ / kg al normale punto di ebollizione), entrambi i quali sono il risultato dell’ampio legame di idrogeno tra le sue molecole. Queste due proprietà insolite consentono all’acqua di moderare il clima terrestre tamponando grandi fluttuazioni di temperatura. La maggior parte dell’energia aggiuntiva immagazzinata nel sistema climatico dal 1970 si è accumulata negli oceani.

L’entalpia specifica della fusione (più comunemente nota come calore latente) dell’acqua è 333.,55 kJ / kg a 0 °C: per sciogliere il ghiaccio è necessaria la stessa quantità di energia che per riscaldare il ghiaccio da -160 ° C fino al suo punto di fusione o per riscaldare la stessa quantità di acqua di circa 80 °C. Di sostanze comuni, solo quella di ammoniaca è più alta. Questa proprietà conferisce resistenza allo scioglimento sul ghiaccio dei ghiacciai e alla deriva del ghiaccio. Prima e dall’avvento della refrigerazione meccanica, il ghiaccio era ed è ancora di uso comune per ritardare il deterioramento degli alimenti.

La capacità termica specifica del ghiaccio a -10 °C è di 2030 J/(kg·K)e la capacità termica del vapore a 100 °C è di 2080 J/(kg·K).,

Densità di acqua e iceEdit

La densità dell’acqua è di circa 1 grammo per centimetro cubo (62 lb/cu ft): questo rapporto è stato originariamente utilizzato per definire il grammo. La densità varia con la temperatura, ma non linearmente: all’aumentare della temperatura, la densità sale a un picco a 3,98 °C (39,16 °F) e poi diminuisce; questo è insolito. Il ghiaccio regolare esagonale è anche meno denso dell’acqua liquida—al congelamento, la densità dell’acqua diminuisce di circa il 9%.,

Questi effetti sono dovuti alla riduzione del movimento termico con il raffreddamento, che consente alle molecole d’acqua di formare più legami idrogeno che impediscono alle molecole di avvicinarsi l’una all’altra. Mentre sotto i 4 °C la rottura dei legami idrogeno dovuta al riscaldamento consente alle molecole d’acqua di imballarsi più vicino nonostante l’aumento del movimento termico (che tende ad espandere un liquido), sopra i 4 °C l’acqua si espande all’aumentare della temperatura. L’acqua vicino al punto di ebollizione è circa il 4% meno densa dell’acqua a 4 °C (39 °F).,

Sotto pressione crescente, il ghiaccio subisce una serie di transizioni verso altri polimorfi con densità maggiore rispetto all’acqua liquida, come ice II, ice III, ghiaccio amorfo ad alta densità (HDA) e ghiaccio amorfo ad altissima densità (VHDA).,

L’insolito curva di densità e bassa densità di ghiaccio di acqua è vitale per la vita—se l’acqua erano più denso al punto di congelamento, quindi in inverno l’acqua molto fredda sulla superficie di laghi e altri corpi idrici, sarebbe finito, laghi potrebbe congelare dal basso verso l’alto, e tutta la vita in loro sarebbero stati uccisi. Inoltre, dato che l’acqua è un buon isolante termico (grazie alla sua capacità termica), alcuni laghi ghiacciati potrebbero non scongelarsi completamente in estate., Lo strato di ghiaccio che galleggia sopra isola l’acqua sottostante. Anche l’acqua a circa 4 °C (39 °F) affonda sul fondo, mantenendo così costante la temperatura dell’acqua sul fondo (vedi diagramma).

Densità di acqua salata e ghiacciomodifica

La densità dell’acqua salata dipende dal contenuto di sale disciolto e dalla temperatura. Il ghiaccio galleggia ancora negli oceani, altrimenti si congelerebbero dal basso verso l’alto. Tuttavia, il contenuto di sale degli oceani abbassa il punto di congelamento di circa 1.,9 °C (vedi qui per la spiegazione) e abbassa la temperatura della densità massima dell’acqua al precedente punto di congelamento a 0 °C. Questo è il motivo per cui, nell’acqua oceanica, la convezione verso il basso dell’acqua più fredda non è bloccata da un’espansione dell’acqua che diventa più fredda vicino al punto di congelamento. L’acqua fredda degli oceani vicino al punto di congelamento continua ad affondare. Quindi le creature che vivono sul fondo degli oceani freddi come l’Oceano Artico generalmente vivono in acqua 4 °C più fredda che sul fondo di laghi e fiumi di acqua dolce ghiacciati.

Quando la superficie dell’acqua salata inizia a congelarsi (a -1.,9 °C per la normale salinità dell’acqua di mare, 3,5%) il ghiaccio che si forma è essenzialmente privo di sale, con circa la stessa densità del ghiaccio d’acqua dolce. Questo ghiaccio galleggia sulla superficie, e il sale che viene “congelato” aggiunge alla salinità e alla densità dell’acqua di mare appena sotto di esso, in un processo noto come rifiuto della salamoia. Questa acqua salata più densa affonda per convezione e l’acqua di mare sostitutiva è soggetta allo stesso processo. Questo produce essenzialmente ghiaccio d’acqua dolce a -1,9 °C sulla superficie. L’aumento della densità dell’acqua di mare sotto il ghiaccio che si forma lo fa affondare verso il fondo., Su larga scala, il processo di rifiuto della salamoia e l’affondamento dell’acqua salata fredda provoca la formazione di correnti oceaniche per trasportare tale acqua lontano dai poli, portando a un sistema globale di correnti chiamato circolazione termoalina.

caratteristiche di miscelazione e condensationEdit

l’Acqua è miscibile con molti liquidi, compresi etanolo in tutte le proporzioni., L’acqua e la maggior parte degli oli sono immiscibili di solito formando strati in base all’aumento della densità dall’alto. Questo può essere previsto confrontando la polarità. L’acqua essendo un composto relativamente polare tenderà ad essere miscibile con liquidi ad alta polarità come etanolo e acetone, mentre i composti a bassa polarità tenderanno ad essere immiscibili e scarsamente solubili come con idrocarburi.

Come gas, il vapore acqueo è completamente miscibile con l’aria., D’altra parte, la pressione massima del vapore acqueo che è termodinamicamente stabile con il liquido (o solido) ad una data temperatura è relativamente bassa rispetto alla pressione atmosferica totale.Ad esempio, se la pressione parziale del vapore è del 2% della pressione atmosferica e l’aria viene raffreddata da 25 °C, a partire da circa 22 °C l’acqua inizierà a condensare, definendo il punto di rugiada e creando nebbia o rugiada. Il processo inverso rappresenta la nebbia che brucia al mattino., Se l’umidità viene aumentata a temperatura ambiente, ad esempio, eseguendo una doccia calda o un bagno, e la temperatura rimane circa la stessa, il vapore raggiunge presto la pressione per il cambiamento di fase e quindi si condensa come minuscole gocce d’acqua, comunemente denominate vapore.

Un gas saturo o uno con umidità relativa al 100% è quando la pressione di vapore dell’acqua nell’aria è all’equilibrio con la pressione di vapore dovuta all’acqua (liquida); l’acqua (o il ghiaccio, se abbastanza fredda) non riuscirà a perdere massa attraverso l’evaporazione quando esposta all’aria satura., Poiché la quantità di vapore acqueo nell’aria è piccola, l’umidità relativa, il rapporto tra la pressione parziale dovuta al vapore acqueo e la pressione di vapore parziale satura, è molto più utile.La pressione di vapore superiore al 100% di umidità relativa è chiamata super-satura e può verificarsi se l’aria viene rapidamente raffreddata, ad esempio, aumentando improvvisamente in una corrente ascendente.,

Vapore pressureEdit

CompressibilityEdit

La comprimibilità dell’acqua è funzione della pressione e della temperatura. A 0 °C, al limite della pressione zero, la compressibilità è 5,1×10-10 Pa-1. Al limite di pressione zero, la compressibilità raggiunge un minimo di 4,4×10-10 Pa-1 intorno a 45 °C prima di aumentare nuovamente con l’aumentare della temperatura., All’aumentare della pressione, la compressibilità diminuisce, essendo 3,9×10-10 Pa-1 a 0 °C e 100 megapascal (1.000 bar).

Il modulo di massa di acqua è di circa 2.2 GPa. La bassa compressibilità dei non-gas, e dell’acqua in particolare, porta a considerarli spesso incomprimibili. La bassa compressibilità dell’acqua significa che anche negli oceani profondi a 4 km di profondità, dove le pressioni sono 40 MPa, c’è solo una diminuzione del volume dell ‘ 1,8%.,

Triple pointEdit

La temperatura e la pressione alla quale l’acqua normale solida, liquida e gassosa coesistono in equilibrio è un punto triplo dell’acqua., Dal 1954, questo punto era stato usato per definire l’unità di base della temperatura, il kelvin ma, a partire dal 2019, il kelvin è ora definito usando la costante di Boltzmann, piuttosto che il punto triplo dell’acqua.

A causa dell’esistenza di molti polimorfi (forme) di ghiaccio, l’acqua ha altri punti tripli, che hanno tre polimorfi di ghiaccio o due polimorfi di ghiaccio e liquido in equilibrio. Gustav Heinrich Johann Apollon Tammann a Gottinga ha prodotto dati su diversi altri punti tripli nei primi anni del 20 ° secolo. Kamb e altri hanno documentato ulteriori punti tripli negli 1960.,

I vari triplo dei punti d’acqua

Fasi in equilibrio stabile	Pressione	Temperatura
acqua liquida, ghiaccio Ih, e vapor d’acqua	611.657 Pa	273.16 K (0,01 °C)
acqua liquida, ghiaccio Ih, il ghiaccio e la III	209.9 MPa	251 K (-22 °C)
acqua liquida, ghiaccio, III, il ghiaccio e la V	350.1 MPa	-17.0 °C
acqua liquida, ghiaccio V, e il ghiaccio VI	632.4 MPa	0.,16 °C
ghiaccio Ih, Ghiaccio II e il III	213 MPa	-35 °C
ice II, ghiaccio, III, il ghiaccio e la V	344 MPa	-24 °C
ice II, ghiaccio, V, il ghiaccio e la VI	626 MPa	-70 °C

Fusione pointEdit

Il punto di fusione del ghiaccio è di 0 °C (32 °F; 273 K) alla pressione standard; tuttavia, pura acqua liquida può essere sovraraffreddate ben al di sotto di quella temperatura senza congelamento se il liquido non è meccanicamente disturbato., Può rimanere in uno stato fluido fino al suo punto di nucleazione omogeneo di circa 231 K (-42 °C; -44 °F). Il punto di fusione di ordinaria esagonale cascate di ghiaccio leggermente al di sotto moderatamente alte pressioni, da 0.0073 °C (0.0131 °F)/atm o circa 0.5 °C (0.90 °F)/70 atm, come la stabilizzazione dell’energia di legame idrogeno è superato da intermolecolari repulsione, ma come il ghiaccio si trasforma in sua polimorfi (vedi cristallino stati di ghiaccio) sopra 209.9 MPa (2,072 atm), il punto di fusione aumenta marcatamente con la pressione, cioè, di raggiungere 355 K (82 °C) a 2.216 GPa (21,870 bancomat) (punto triplo di Ghiaccio VII).,

Proprietà elettriceedit

Conduttività elettricaedit

L’acqua pura che non contiene ioni esogeni è un ottimo isolante, ma nemmeno l’acqua “deionizzata” è completamente priva di ioni. L’acqua subisce auto-ionizzazione allo stato liquido quando due molecole d’acqua formano un anione idrossido (OH−
) e un catione idronio (H
3O+
).

Poiché l’acqua è un buon solvente, ha quasi sempre un soluto sciolto in esso, spesso un sale., Se l’acqua ha anche una piccola quantità di tale impurità, allora gli ioni possono trasportare cariche avanti e indietro, permettendo all’acqua di condurre l’elettricità molto più facilmente.

È noto che la massima resistività elettrica teorica per l’acqua è di circa 18,2 MΩ·cm (182 kΩ·m) a 25 °C. Questa cifra concorda bene con ciò che è tipicamente visto su osmosi inversa, sistemi di acqua ultra-filtrata e deionizzata ultra-pura utilizzati, ad esempio, negli impianti di produzione di semiconduttori., Un sale o acido livello di contaminanti superare anche i 100 parti per trilione (ppt) in caso contrario ultra puro l’acqua comincia a notevolmente inferiore la sua resistività fino a diverse kΩ·m.

In acqua pura, apparecchiature sensibili in grado di rilevare un lieve conducibilità elettrica di 0.05501 ± 0.0001 µS/cm a 25.00 °C. l’Acqua può anche essere sottoposta ad elettrolisi in ossigeno e idrogeno gas ma, in assenza di ioni disciolti questo è un processo molto lento, molto poca corrente viene condotta. Nel ghiaccio, i portatori di carica primari sono protoni (vedi protone conductor)., In precedenza si pensava che il ghiaccio avesse una conduttività piccola ma misurabile di 1×10-10 S / cm, ma ora si pensa che questa conduttività sia quasi interamente dovuta a difetti superficiali, e senza questi, il ghiaccio è un isolante con una conduttività incommensurabilmente piccola.

Polarità e idrogeno bondingEdit

Una caratteristica importante di acqua è la sua natura polare., La struttura ha una geometria molecolare piegata per i due idrogeni dal vertice dell’ossigeno. L’atomo di ossigeno ha anche due coppie solitarie di elettroni. Un effetto solitamente attribuito alle coppie solitarie è che l’angolo di curvatura in fase gassosa H–O–H è 104,48°, che è più piccolo del tipico angolo tetraedrico di 109,47°. Le coppie solitarie sono più vicine all’atomo di ossigeno rispetto agli elettroni sigma legati agli idrogeni, quindi richiedono più spazio. L’aumentata repulsione delle coppie solitarie costringe i legami OH più vicini l’uno all’altro.

Un’altra conseguenza della sua struttura è che l’acqua è una molecola polare., A causa della differenza di elettronegatività, un momento di dipolo legame punti da ogni H alla O, rendendo l’ossigeno parzialmente negativo e ogni idrogeno parzialmente positivo. Un grande dipolo molecolare, punti da una regione tra i due atomi di idrogeno all’atomo di ossigeno. Le differenze di carica causano l’aggregazione delle molecole d’acqua (le aree relativamente positive sono attratte dalle aree relativamente negative). Questa attrazione, legame idrogeno, spiega molte delle proprietà dell’acqua, come le sue proprietà solventi.,

Sebbene il legame con l’idrogeno sia un’attrazione relativamente debole rispetto ai legami covalenti all’interno della molecola d’acqua stessa, è responsabile di molte delle proprietà fisiche dell’acqua. Queste proprietà includono le sue temperature relativamente elevate di punto di fusione e di ebollizione: è necessaria più energia per rompere i legami idrogeno tra le molecole d’acqua. Al contrario, l’idrogeno solforato (H
2S), ha un legame di idrogeno molto più debole a causa dell’elettronegatività inferiore dello zolfo. H
2S è un gas a temperatura ambiente, nonostante l’idrogeno solforato abbia quasi il doppio della massa molare dell’acqua., Il legame extra tra le molecole d’acqua conferisce anche all’acqua liquida una grande capacità termica specifica. Questa elevata capacità termica rende l’acqua un buon mezzo di accumulo di calore (refrigerante) e scudo termico.

Coesione e adesionemodifica

Le molecole d’acqua rimangono vicine l’una all’altra (coesione), a causa dell’azione collettiva dei legami idrogeno tra le molecole d’acqua., Questi legami idrogeno si rompono costantemente, con nuovi legami che si formano con diverse molecole d’acqua; ma in un dato momento in un campione di acqua liquida, una gran parte delle molecole sono tenute insieme da tali legami.

L’acqua ha anche elevate proprietà di adesione a causa della sua natura polare. Su vetro estremamente pulito/liscio l’acqua può formare un film sottile perché le forze molecolari tra vetro e molecole d’acqua (forze adesive) sono più forti delle forze coesive.,Nelle cellule biologiche e negli organelli, l’acqua è in contatto con superfici di membrana e proteine che sono idrofile; cioè, superfici che hanno una forte attrazione per l’acqua. Irving Langmuir ha osservato una forte forza repulsiva tra le superfici idrofile. Per disidratare le superfici idrofile-per rimuovere gli strati fortemente tenuti di acqua di idratazione-richiede di fare un lavoro sostanziale contro queste forze, chiamate forze di idratazione. Queste forze sono molto grandi ma diminuiscono rapidamente su un nanometro o meno., Sono importanti in biologia, in particolare quando le cellule sono disidratate dall’esposizione ad atmosfere secche o al congelamento extracellulare.

l’Acqua ha un insolitamente alta tensione superficiale dell’71.99 mN/m a 25 °C, che è causato dalla forza del legame idrogeno tra le molecole d’acqua. Ciò consente agli insetti di camminare sull’acqua.

Azione capillare

Poiché l’acqua ha forti forze coesive e adesive, esibisce un’azione capillare., La forte coesione da legame e adesione dell’idrogeno permette che gli alberi trasportino l’acqua più di 100 m verso l’alto.

Acqua come solventEdit

L’acqua è un eccellente solvente grazie alla sua elevata costante dielettrica., Le sostanze che si mescolano bene e si dissolvono in acqua sono note come sostanze idrofile (“amanti dell’acqua”), mentre quelle che non si mescolano bene con l’acqua sono note come sostanze idrofobiche (“che temono l’acqua”). La capacità di una sostanza di dissolversi in acqua è determinata dal fatto che la sostanza possa corrispondere o meglio alle forti forze attrattive che le molecole d’acqua generano tra altre molecole d’acqua. Se una sostanza ha proprietà che non gli consentono di superare queste forti forze intermolecolari, le molecole vengono precipitate fuori dall’acqua., Contrariamente al malinteso comune, l’acqua e le sostanze idrofobe non “respingono” e l’idratazione di una superficie idrofobica è energeticamente, ma non entropicamente, favorevole.

Quando un composto ionico o polare entra nell’acqua, è circondato da molecole d’acqua (idratazione). La dimensione relativamente piccola delle molecole d’acqua (~ 3 angstrom) consente a molte molecole d’acqua di circondare una molecola di soluto. Le estremità di dipolo parzialmente negative dell’acqua sono attratte da componenti caricati positivamente del soluto e viceversa per le estremità di dipolo positive.,

In generale, le sostanze ioniche e polari come acidi, alcoli e sali sono relativamente solubili in acqua e le sostanze non polari come grassi e oli non lo sono. Molecole non polari stare insieme in acqua perché è energeticamente più favorevole per le molecole d’acqua a legame idrogeno tra loro che impegnarsi in interazioni di van der Waals con molecole non polari.

Un esempio di soluto ionico è il sale da tavola; il cloruro di sodio, NaCl, si separa in Na+
cationi e Cl−
anioni, ciascuno circondato da molecole d’acqua., Gli ioni vengono quindi facilmente trasportati lontano dal loro reticolo cristallino in soluzione. Un esempio di soluto non ionico è lo zucchero da tavola. I dipoli d’acqua formano legami idrogeno con le regioni polari della molecola di zucchero (gruppi OH) e permettono di portarlo via in soluzione.

Tunneling quantumedit

La dinamica di tunneling quantistico nell’acqua è stata riportata già nel 1992. A quel tempo era noto che ci sono moti che distruggono e rigenerano il debole legame idrogeno mediante rotazioni interne dei monomeri idrici sostituenti., Il 18 marzo 2016, è stato riferito che il legame idrogeno può essere rotto dal tunneling quantistico nell’hexamer dell’acqua. A differenza dei movimenti di tunneling precedentemente riportati in acqua, ciò ha comportato la rottura concertata di due legami idrogeno. Più tardi, nello stesso anno, è stata riportata la scoperta del tunneling quantistico delle molecole d’acqua.

Assorbimento elettromagneticomodifica

L’acqua è relativamente trasparente alla luce visibile, vicino alla luce ultravioletta e alla luce rossa lontana, ma assorbe la maggior parte della luce ultravioletta, della luce infrarossa e delle microonde., La maggior parte dei fotorecettori e dei pigmenti fotosintetici utilizzano la porzione dello spettro luminoso che viene trasmessa bene attraverso l’acqua. I forni a microonde sfruttano l’opacità dell’acqua alle radiazioni a microonde per riscaldare l’acqua all’interno degli alimenti. Il colore blu chiaro dell’acqua è causato da un debole assorbimento nella parte rossa dello spettro visibile.