L'acqua come sostanza con determinate caratteristiche chimico-fisiche

L'idea che l'acqua fosse un elemento semplice e primordiale prevalse fino alla metà del XVIII secolo, quando il chimico britannico Henry Cavendish riuscì a ottenere la sintesi del liquido provocando l'esplosione di una miscela di idrogeno e aria. Il significato e l'importanza dell'esperimento vennero del tutto compresi solo in un secondo tempo, grazie alle ricerche del chimico francese Lavoisier il quale suggerì che l'acqua fosse un composto contenente idrogeno e ossigeno. Nel 1804 il chimico francese Gay-Lussac e il naturalista tedesco Humboldt dimostrarono che essa è costituita da idrogeno e ossigeno nella proporzione di due volumi a uno, stabilendo quindi la formula H₂O e con essa la vera natura del composto. La maggior parte dell'idrogeno contenuto nell'acqua che si trova in natura ha peso atomico 1; tuttavia nel 1932 il chimico statunitense Harold Clayton Urey scoprì che nell'acqua è presente, nella concentrazione di una parte su 6000, ossido di deuterio, un composto di formula D₂O, comunemente detto acqua pesante. Tracce di trizio, l'isotopo dell'idrogeno di peso atomico 3, furono rilevate nel 1951 dal chimico statunitense Aristid Grosse.

La molecola dell'acqua è formata da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno, uniti da legami covalenti. Essa può essere rappresentata con un polo positivo in corrispondenza degli atomi di idrogeno e un polo negativo in corrispondenza di quello di ossigeno. Le cariche parziali si compensano a vicenda in modo che ne risulta una molecola che nel complesso è elettricamente neutra. A causa della separazione tra cariche positive e negative, tra due molecole di acqua si può verificare una forza di attrazione fra il polo positivo e quello negativo.
Poiché gli elettroni intorno all'atomo di ossigeno si ritengono disposti ai vertici di un tetraedro, ogni molecola di acqua può formare legami idrogeno con quattro molecole circostanti.

L'eccezionale grado di interazione fra le molecole dell'acqua è alla base di alcune delle sue importanti proprietà fisico-chimiche.

• L'elevato calore specifico;
• l'elevato calore di vaporizzazione;
• il fenomeno della capillarità;
• la densità;
• la tensione superficiale;
• La proprietà di essere un ottimo solvente;
• La capacità delle molecole di ionizzarsi.

L'acqua pura è un liquido inodore e insapore, che presenta una debole colorazione blu osservabile solo nelle acque profonde. L'acqua è l'unica sostanza che si trova in natura, a temperatura ambiente, nei tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. Allo stato solido è presente sotto forma di ghiaccio, nella neve, nella grandine, nella brina e nelle nubi; allo stato liquido si trova sotto forma di pioggia e rugiada, ma soprattutto ricopre i tre quarti della superficie terrestre costituendo oceani, mari, laghi e fiumi; allo stato gassoso, infine, è presente come nebbia e vapore ed è il principale costituente delle nuvole. La quantità di vapore presente nell'atmosfera viene espressa per mezzo del tasso di umidità relativa, calcolato come il rapporto tra la quantità di vapore acqueo presente a una determinata temperatura e il valore massimo possibile nelle stesse condizioni termiche.

Classificazione delle acque