I legami ad idrogeno dell'acqua

La molecola dell'acqua, comunissima sulla terra è composta da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno (H2O) legati fra loro da un legame covalente polare. Tra le molecole dell'acqua però a causa del fatto che spesso gli atomi di idrogeno sono "scoperti", si creano una sorta di legame, legato all'attrazione elettrostatica fra cariche diverse (H-O), e coadiuvato dal fatto che le cariche elettrostatiche uguali si respingono (H-H). Queste interazioni creano appunto quelli che si chiamano i legami o ponti ad idrogeno. Questo tipo di ponte è ance detto intermolecolare, poiché si formano tra molecole separate tra loro nel caso di sostanze che contengono al proprio interno cariche elettriche parziali o complete. Si tratta di unioni chimiche con un'intensità relativamente debole. Infatti sono in grado di formarsi e rompersi molto velocemente a causa delle interazioni con le altre molecole. Questi legami, che caratterizzano le proprietà dell'acqua sono causa di vari proprietà come: densità, calore latente, coesione, adesione, tensione superficiale, calore specifico, potere solvente.

L'idrogeno è l'elemento più diffuso in natura, e la sua struttura atomica di base è semplicissima. L'atomo di idrogeno è formato da un elettrone e da un protone. Secondo il modello elementare di Bohr, che per l'idrogeno può considerarsi valido, l'elettrone orbita intorno al protone, mantenendo la carica dell'atomo complessivamente nulla. Quando l'idrogeno però è impegnato in un legame covalente con l'acqua, l'orbita dell'elettrone non è più uniformemente distribuita intono al protone. A causa del legame gli atomi di idrogeno tendono ad avere il protone più scoperto nel versante opposto all'atomo di ossigeno, determinando una leggera polarizzazione positiva di quel versante. Analogamente il nucleo dell'ossigeno tende ad essere circondato da una nube relativamente più negativa rispetto all'ipotetico atomo isolato, a causa degli elettroni derivanti dal legame covalente. Sebbene il modello sia molto semplificavo, rende bene l'idea del fatto che in una molecola d'acqua complessivamente neutra troveremo comunque zone più negative di altre. Vediamo quali sono le conseguenze della formazione dei legami ad idrogeno dovuti a questa condizione.

L'acqua a causa dei legami ad idrogeno ha un punto di ebollizione piuttosto elevato, nonostante si tratti di una molecola dalla struttura molto semplice. Il motivo principale per cui per portare ad ebollizione l'acqua occorre somministrarle grandi quantità di calore è che i legami ad idrogeno tendono a riformarsi anche se le molecole subiscono un incremento di energia cinetica: in poche parole, se una molecola di acqua dovesse svincolarsi dai legami con le circostanti, non passerebbe molto tempo prima che le forze esercitate dai ponti a idrogeno disponibili la rallentino. Serve quindi molta energia cinetica per sfuggire alla presa dei legami in maniera definitiva e per fare in modo che l'acqua passi allo stato di vapore. In particolare un punto critico è la superficie perché qua le molecole che hanno abbastanza energia cinetica si trovano al tempo stesso attratte dalle altre ed è per questo che l'evaporazione è piuttosto lenta, se per esempio confrontata con un idrocarburo.

La coesione è la forza attrattiva utile a unire le molecole di tipo uguale. L'adesione invece è la forza attrattiva utile a tenere unite le molecole diverse fra loro. La presenza dei legami ad idrogeno tra le molecole d'acqua che tendono a mantenerle unite si manifesta sotto forma di coesione, che spiega perché l'acqua tende a restare liquida e a non disperdersi per effetto del vento, se non in minima parte. L'adesione invece si presenta invece quando l'acqua entra in contatto con sostanze caratterizzate da legami covalenti polari che presentano cariche parziali. La combinazione di coesione ed adesione permette all'acqua per esempio la risalita capillare che sta alla base della vita sulla terra. L'adesione invece si manifesta quando un oggetto viene bagnato nell'acqua. A causa delle cariche parziali presenti su idrogeno e ossigeno, infatti, l'acqua tende ad aderire a materiali che hanno a loro volta una carica anche poco accentuata.

La tensione superficiale è la forza apparente che unisce le molecole di un fluido in posizione superficiale mantenendole unite alle molecole sottostanti, presenti nella massa interna. Le gocce d'acqua tendono ad avere una forma sferica proprio perché c'è il fenomeno della tensione superficiale. La tensione superficiale si manifesta anche quando si cerca di fendere la superficie dell'acqua che tende a richiudersi molto rapidamente sul taglio senza lasciare tracce. La tensione superficiale insieme all'adesione, inoltre è responsabile del fenomeno che rende difficile sollevare un foglio appoggiato sul pelo dell'acqua che vi rimane praticamente incollato.

La densità la quantità di materia di un volume noto (densità=massa/volume [chilogrammi/metri cubi]). La massima densità dell'acqua viene raggiunta a 4°C; di conseguenza allo stato liquido è più denso che allo stato solido. La presenza dei legami ad idrogeno fa sì che nel ghiaccio le molecole d'acqua assumano posizioni ordinate e ben distanziate tra loro. Allo stato liquido invece si rompono e si formano più velocemente così che le molecole possano avvicinarsi maggiormente, aumentandone così la densità del fluido. Una conseguenza diretta della struttura dei legami ad idrogeno è che il ghiaccio galleggia sull'acqua, caso rarissimo in natura in cui i solidi hanno solitamente una densità superiore rispetto al corrispettivo liquido.

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