L'acqua: la sostanza che rende possibile la vita

L'acqua è la sostanza più diffusa sulla superficie del nostro pianeta e una delle più importanti per ogni essere vivente. In questa lezione scopriremo di cosa è fatta, come si comporta, in quali stati la troviamo e perché il suo continuo viaggio tra cielo, terra e mari è fondamentale per l'equilibrio della Terra.

Introduzione: una sostanza familiare e straordinaria

Ogni mattina, quando apri il rubinetto per lavarti i denti, hai davanti agli occhi una sostanza che sembra banale ma è in realtà eccezionale. L'acqua copre circa il settanta per cento della superficie terrestre e costituisce gran parte del corpo degli esseri viventi, compreso il tuo. Senza di essa non potrebbero esistere piante, animali, batteri, né potremmo coltivare i campi o produrre energia nelle centrali idroelettriche. La cosa più curiosa è che, pur essendo così comune, l'acqua ha proprietà chimiche e fisiche che la rendono unica nel sistema solare. Pensa a quanto è strano che il ghiaccio galleggi sull'acqua liquida, mentre quasi tutti gli altri solidi affondano nei propri liquidi. In questo percorso impareremo a guardare l'acqua con occhi nuovi, riconoscendone i comportamenti che spesso diamo per scontati.

La composizione chimica dell'acqua

L'acqua è una sostanza pura formata dall'unione di due elementi diversi: l'idrogeno e l'ossigeno. La sua formula chimica è H₂O, perché ogni molecola contiene due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno. Questa piccola struttura, invisibile a occhio nudo, si ripete miliardi di miliardi di volte in una sola goccia. Un esempio concreto del fatto che l'acqua è davvero composta da questi elementi si vede nell'elettrolisi: facendo passare corrente elettrica nell'acqua si ottengono due gas distinti, l'idrogeno e l'ossigeno. Un secondo esempio è la combustione dell'idrogeno: quando questo gas brucia con l'ossigeno dell'aria, si forma proprio acqua, come accade nei motori a idrogeno di alcune auto sperimentali. La forma della molecola d'acqua, piegata come una piccola V, è la ragione di molte sue proprietà speciali.

Gli stati fisici dell'acqua

L'acqua è una delle pochissime sostanze che possiamo osservare facilmente in tutti e tre gli stati fisici, semplicemente girando per casa. Allo stato liquido la troviamo nel bicchiere, nei fiumi, nei laghi e nei mari, dove scorre e prende la forma del recipiente che la contiene. Allo stato solido diventa ghiaccio nel congelatore o neve sulle montagne, mantenendo una forma propria e un volume ben definito. Allo stato aeriforme si presenta come vapore acqueo, che è invisibile e si mescola con gli altri gas dell'atmosfera. Un esempio quotidiano del passaggio tra stati è il cubetto di ghiaccio che lasci sul tavolo: in pochi minuti diventa una pozzetta d'acqua liquida. Un altro esempio è la pentola sul fuoco: dopo qualche minuto vedi salire una nebbiolina bianca, che però non è il vapore vero, bensì goccioline minutissime già condensate nell'aria fresca.

I passaggi di stato

Il movimento dell'acqua da uno stato all'altro avviene attraverso sei passaggi di stato, ciascuno con un nome preciso. Per riconoscerli ti basta ricordare cosa cambia e in quale direzione. I principali sono i seguenti:

1. La fusione è il passaggio da solido a liquido e avviene a circa zero gradi, come quando il ghiaccio si scioglie nel bicchiere.
2. La solidificazione è il passaggio inverso, da liquido a solido, e si osserva mettendo l'acqua nel congelatore.
3. L'evaporazione è il passaggio da liquido ad aeriforme, e accade lentamente anche a temperatura ambiente, come quando i panni stesi si asciugano.
4. L'ebollizione è una forma rapida di evaporazione che avviene a cento gradi a livello del mare, con grosse bolle nella pentola.
5. La condensazione è il passaggio da aeriforme a liquido, visibile sugli specchi del bagno dopo la doccia.
6. La sublimazione e il brinamento collegano direttamente solido e aeriforme, senza passare per il liquido, come nella naftalina o nella brina mattutina.

Durante i passaggi di stato la temperatura dell'acqua resta costante, perché il calore fornito serve a rompere o riformare i legami tra le molecole. Per questo motivo, se misuri la temperatura del ghiaccio che fonde, troverai sempre zero gradi finché c'è ghiaccio.

Le proprietà particolari dell'acqua

L'acqua ha proprietà fisiche che la rendono diversa da quasi tutte le altre sostanze conosciute. La più sorprendente è che il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida, e per questo motivo galleggia: lo vedi ogni volta che metti un cubetto in un bicchiere di aranciata. Grazie a questa stranezza i laghi non gelano mai dal fondo, e i pesci possono sopravvivere all'inverno sotto una crosta di ghiaccio protettiva. Un'altra proprietà è la tensione superficiale, che si manifesta quando piccoli insetti come i gerridi camminano sulla superficie di uno stagno senza affondare. C'è poi la capacità di sciogliere moltissime sostanze, motivo per cui chiamiamo l'acqua il solvente universale: lo zucchero nel tè e il sale nella minestra scompaiono perché si sciolgono. Infine l'acqua ha un'alta capacità di trattenere il calore, e questo spiega perché il mare in autunno è ancora tiepido mentre la sabbia è già fredda.

Il ciclo dell'acqua

L'acqua presente sulla Terra non è ferma, ma compie un viaggio continuo che chiamiamo ciclo idrologico o ciclo dell'acqua. Il Sole riscalda mari, laghi e fiumi e provoca l'evaporazione: enormi quantità di acqua salgono in atmosfera sotto forma di vapore invisibile. In alta quota, dove fa più freddo, il vapore condensa attorno a microscopiche particelle di polvere, formando le nuvole, fatte di goccioline o cristallini di ghiaccio. Quando le goccioline diventano troppo pesanti cadono come pioggia, neve o grandine: è la fase delle precipitazioni. Una parte dell'acqua scorre in superficie nei ruscelli e nei fiumi tornando al mare, mentre un'altra parte si infiltra nel terreno alimentando le falde sotterranee da cui attingono i pozzi. Un esempio di questo ciclo lo vedi dopo un temporale estivo: prima il sole asciuga le pozzanghere, poi nel pomeriggio si formano nuovi cumuli, e in serata può piovere di nuovo.

Acqua potabile, acque dolci e acque salate

Non tutta l'acqua che esiste sul pianeta è uguale né può essere bevuta. La maggior parte dell'acqua terrestre, oltre il novantasette per cento, è acqua salata e si trova negli oceani, dove la concentrazione di sali la rende imbevibile per l'uomo. L'acqua dolce, presente nei fiumi, nei laghi, nei ghiacciai e nelle falde, è soltanto una piccola frazione e non sempre è pulita. Per diventare potabile, l'acqua deve essere limpida, priva di germi pericolosi e contenere sali minerali in quantità adeguata: ecco perché viene trattata negli acquedotti. Un esempio concreto è l'etichetta delle bottiglie minerali: ci leggi residuo fisso, calcio, magnesio e sodio, cioè i sali che danno il sapore all'acqua. Un altro esempio è il depuratore delle navi che, attraverso un processo chiamato desalinizzazione, ricava acqua dolce dal mare per gli equipaggi. Risparmiare acqua a casa, chiudendo il rubinetto mentre ci si lava i denti, è un gesto piccolo ma importante per proteggere questa risorsa preziosa.

L'acqua e gli esseri viventi

Tutti gli organismi viventi hanno bisogno di acqua, perché al loro interno avvengono in soluzione acquosa quasi tutte le reazioni della vita. Il corpo umano è composto per circa il sessanta per cento di acqua, che serve a trasportare le sostanze nutritive nel sangue, regolare la temperatura attraverso il sudore ed eliminare le scorie con l'urina. Le piante assorbono acqua dalle radici e la fanno salire fino alle foglie, dove serve per produrre zuccheri grazie alla fotosintesi clorofilliana. Un esempio quotidiano è ciò che accade se dimentichi di annaffiare una pianta sul balcone: in pochi giorni appassisce perché le sue cellule perdono turgore. Un altro esempio sei tu stesso quando, dopo aver corso al sole, sudi e senti la sete: il corpo ti sta chiedendo di reintegrare i liquidi persi. Per questo i medici consigliano di bere ogni giorno almeno un litro e mezzo di acqua, distribuita durante la giornata.

Ricorda

• L'acqua è una sostanza pura con formula H₂O, formata da idrogeno e ossigeno.
• Si trova in natura nei tre stati: solido (ghiaccio), liquido e aeriforme (vapore).
• I passaggi di stato sono sei: fusione, solidificazione, evaporazione, condensazione, sublimazione e brinamento.
• Durante un passaggio di stato la temperatura resta costante.
• Il ghiaccio galleggia perché è meno denso dell'acqua liquida.
• L'acqua scioglie molte sostanze ed è chiamata solvente universale.
• Il ciclo dell'acqua collega mari, atmosfera e terre emerse attraverso evaporazione, condensazione e precipitazioni.
• Solo una piccola parte dell'acqua del pianeta è dolce e potabile, quindi va usata con attenzione.

Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: disegna uno schema del ciclo dell'acqua con almeno cinque frecce e cinque etichette (per esempio: mare, evaporazione, nuvola, precipitazioni, fiume). Sotto al disegno scrivi tre frasi che spieghino, con parole tue, perché il ghiaccio galleggia, perché l'acqua viene chiamata solvente universale e perché è importante non sprecarla in casa.