STRUTTURA
Le caratteristiche fisiche e solventi dell’acqua derivano dalla sua forte coesione interna.
La molecola d’acqua ha una forma angolare con gli H che formano un angolo di 104,5° con l’O. La forte differenza di elettronegatività fra H e O conferisce un 33% di carattere polare alla molecola (momento dipolare: 1,85 debye).
L’unione di più molecole d’acqua avviene tramite la formazione di legami H, legami direzionali intermolecolari, tra molecole differenti. Si verifica nel momento in cui il legame H-O di una molecola si dirige verso la nube elettronica libera di un O dell’altra. In questa situazione, O-H diventa un gruppo donatore, come un acido debole, mentre l’O spaiato diventa un gruppo accettore, come una base debole.
In realtà la forza con cui si forma il legame H è molto piccola, pari a circa 20 kj mol-1, contro i 460 del legame covalente O-H. Esistono però così tante possibilità di formare legami H, che questo diventa essenziale nel fornire la forma tridimensionale alle molecole.
La struttura del ghiaccio offre un ottimo esempio di forza cumulativa dei legami H. Nel ghiaccio la forma della molecola d’acqua si modifica, si espande, perché ogni molecola è circondata da altre quattro molecole con cui forma un tetraedro. In questa posizione, la molecola centrale funge da accettore verso due molecole e da donatore verso le altre due. L’importanza dell’espansione (e dunque della minor densità e peso) dell’acqua allo stato ghiacciato è enorme: se infatti l’acqua si condensasse allo stato ghiacciato, le grandi lastre di ghiaccio sui mari del Nord si depositerebbero sul fondo uccidendo la vita, che non sarebbe mai potuta esistere.
In ogni caso, il ghiaccio e l’acqua allo stato liquido hanno in comune più dell’85% di legami H: questo fa sì che la temperatura di ebollizione dell’acqua sia, ad esempio, molto più elevata rispetto a quella del metano, sebbene questo presenti lo stesso peso molecolare. La più alta temperatura di ebollizione è dovuta alla forza coesiva molto intensa dei legami H intermolecolari.
Anche nell’acqua allo stato liquido ogni molecola è circondata da altre quattro, ma i legami H sono distorti e irregolari. Si possono formare anelli da 4 a 7 termini, al contrario che nel ghiaccio in cui i termini sono sempre 6.
L’ACQUA COME SOLVENTE
L’acqua è detta”solvente universale”. Sebbene questa definizione non sia del tutto esatta, certamente l’acqua è un ottimo solvente (data la sua polarità) per i composti polari (idrofilici), mentre quelli non polari vengono detti idrofobici (dissolti dal tetracloruro di carbonio – CCl4 – o dall’esano).
Perché i sali si dissolvono molto bene nell’acqua? Gli ioni dei sali interagiscono secondo la legge di Coulomb:
F = kq1q2/Dr2
in cui F è la forza tra due cariche elettriche q1 e q2 che sono separate dalla distanza r, in un mezzo avente costante dielettrica D. k è una costante di proporzionalità.
Visto che la costante dielettrica dell’acqua è molto elevata, nell’acqua la forza di attrazione di due ioni è molto bassa, e dunque le molecole si dissolvono.
In solventi polari, gli ioni del soluto attraggono le estremità del dipolo del solvente che hanno carica opposta: questi ioni si dicono solvatati o, nel caso dell’acqua, idratati. In questo modo le cariche degli ioni e dei dipoli si diffondono su tutto il volume del complesso, attenuando molto la forza di attrazione fra gli ioni. Nelle forme idratate, mole molecole d’acqua si dispongo attorno gli ioni a creare una struttura concentrica con i dipoli orientati.
Allo stesso modo degli ioni, anche molecole polari non cariche (ma con un certo dipolo) sono ben dissolte nell’acqua: quindi lo sono tutte le molecole che contengono ossidrili, carbonili, carbossili o gruppi amminici.
La maggior parte delle molecole organiche contengono sia zone polari che zone non polari e sono dette molecole anfifiliche. Grazie a queste si formano strutture come le micelle (aggregati a forma di sfera con le molecole che espongo all’acqua la zona idrofilica, e all’interno proteggono la zona idrofobica) o il doppio strato lipidico. Le interazioni che formano queste strutture sono dette interazioni idrofobiche. Mancano di direzionalità e sono più forti dei legami H.
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