L'acqua è una molecola biologica di primaria importanza. Ma...inodore, incolore, insapore: una noia, non è vero? Ebbene no! L'acqua è caratterizzata da una struttura unica che le conferisce due principali proprietà biologiche, ovvero la polarità e il legame idrogeno. Nei prossimi paragrafi potrai analizzare in maniera approfondita questi aspetti. Vedrai, con le spiegazioni di StudySmarter, studiare sarà come bere un bicchier d'acqua!
Perché l'acqua è considerata una molecola polare?
Ricordi che la struttura chimica dell'acqua è H2O? Ciò significa che una singola molecola d'acqua è costituita da un atomo di ossigeno (O) unito a due atomi di idrogeno (H-O-H) tramite elettroni condivisi che formano un legame covalente. La condivisione di questi elettroni tra gli atomi non è uniforme, perché gli atomi di ossigeno attraggono gli elettroni più fortemente di quanto facciano gli atomi di idrogeno. Di conseguenza, gli atomi di idrogeno hanno una carica leggermente positiva (δ+), mentre l'atomo di ossigeno, che possiede anche elettroni negativi non condivisi, ha una carica leggermente negativa (δ-). Pertanto, possiamo dire che l'acqua è una molecola polare perché ha una regione parzialmente caricata positivamente da un lato e una regione parzialmente caricata negativamente dall'altro.
Un legame covalente è un legame chimico in cui due atomi sono legati tra loro da uno o più elettroni che condividono.
In chimica, una molecola è definita polare se è suddivisa in due regioni parzialmente cariche di segno opposto.
Figura 1. Diagramma a sfera e a bastoncino di una molecola d'acqua.
I legami a idrogeno nella molecola d'acqua
Gli atomi di ossigeno parzialmente carichi negativamente sono attratti dagli atomi di idrogeno con una carica parzialmente positiva. Questa attrazione costituisce un legame a idrogeno. I legami a idrogeno si rompono e si riformano in continuazione; pertanto, in numero ridotto, possono essere deboli. Tuttavia, quando sono numerosi, i legami a idrogeno formano una struttura forte che contribuisce alle preziose proprietà dell'acqua.
I legami (a) idrogeno si formano a partire da un atomo di idrogeno caricato positivamente che si lega a un'altra regione della stessa molecola caricata negativamente.
Figura 2. Legame a idrogeno tra due molecole d'acqua.
Caratteristiche e funzioni delle molecole d'acqua
Di seguito andiamo ad analizzare le caratteristiche e le funzioni delle molecole d'acqua in modo schematico.
Metabolita. L'acqua agisce come metabolita in molte reazioni metaboliche, tra cui la condensazione e l'idrolisi. Ad esempio, la condensazione degli amminoacidi porta alla formazione di diversi importanti enzimi (proteine).
Un metabolita è un prodotto intermedio o finale del processo del metabolismo.
La condensazione è una reazione chimica in cui due o più molecole si uniscono provocando l'eliminazione di acqua.
L'idrolisi è una particolare reazione chimica in cui il ruolo da protagonista è svolto dalla molecola dell'acqua che provoca la scissione di un legame chimico.
Solvente. L'acqua è un solvente, ovvero permette ad alcune sostanze (come ossigeno, enzimi o zuccheri) di sciogliersi in essa. Poiché molte reazioni metaboliche avvengono in soluzione per consentire ai reagenti di sciogliersi, questa è una proprietà funzionale.
Un solvente è una sostanza in grado di sciogliere un'altra sostanza. Il risultato è una soluzione contenente entrambe le sostanze.
Trasporto dell'acqua. Le molecole d'acqua hanno una proprietà speciale chiamata coesione: si attaccano tra loro, favorendo il trasporto dell'acqua. La coesione è essenziale nelle piante, perché l'acqua si unisce per essere trascinata in colonne, attraverso i vasi xilematici, verso le diverse regioni della pianta. Inoltre, l'acqua può essere spostata all'interno e all'esterno delle cellule attraverso l'osmosi.
La coesione è la forza attrattiva che agisce sulle varie molecole di una stessa sostanza, che risultano quindi legate tra loro.
L'osmosi è il movimento di molecole d'acqua da un'area ad alta concentrazione a un'area a bassa concentrazione attraverso una membrana parzialmente permeabile.
Controllo della temperatura. L'acqua può aiutare a controllare la temperatura, poiché ha un'elevata capacità termica specifica e un elevato calore latente di vaporizzazione.
La capacità termica specifica è la quantità di energia di cui una sostanza necessita per riscaldarsi.
Una volta raggiunta la temperatura di ebollizione, il calore latente di vaporizzazione indica la quantità di energia necessaria per far evaporare una determinata sostanza.
Ogni funzione elencata verrà discussa in maniera dettagliata nei paragrafi seguenti.
In che modo le molecole d'acqua hanno la funzione di metaboliti?
Come discusso nell'articolo sulla bioenergetica, le reazioni metaboliche rappresentano quei processi chimici che avvengono all'interno degli organismi viventi per sostenere la vita. Molte di questi processi comportano una reazione di condensazione o idrolisi. L'acqua svolge un ruolo importante perché le reazioni di idrolisi utilizzano una molecola d'acqua per rompere un legame, come nel caso dell'energia rilasciata dalla molecola biologica ATP. Le reazioni di condensazione, invece, liberano una molecola d'acqua quando si forma un nuovo legame; un esempio è la reazione di condensazione che unisce gli amminoacidi per formare i polipeptidi.
In che modo l'acqua agisce come un buon solvente?
Dato che l'acqua è una molecola polare, altre sostanze polari legate covalentemente, come il glucosio e molti composti ionici, possono dissolversi in essa. Nel concreto, quando si immerge una sostanza X nell'acqua, lo ione negativo della sostanza X attrae la regione della molecola d'acqua con carica positiva, mentre lo ione positivo della sostanza X attrae la regione della molecola d'acqua con carica negativa. Gli ioni vengono così circondati, cioè si dissolvono.
Prendiamo l'esempio del sale cloruro di sodio (NaCl), solubile in acqua. Gli ioni Na+ sono carichi positivamente, quindi, nel momento in cui le molecole di acqua circondano la molecola di NaCl, l'atomo di ossigeno parzialmente negativo dell'acqua punta verso gli ioni Na+. Parallelamente, gli ioni Cl- sono negativi, quindi gli atomi di idrogeno parzialmente positivi dell'acqua puntano verso gli ioni Cl-. Il sodio viene quindi disciolto in acqua: proprio quello che accade ogni volta che cuciniamo la pasta!
Che cos'è il calore latente di vaporizzazione dell'acqua?
Quando l'acqua è esposta a un calore sufficiente, può evaporare. Tale processo coincide con quello di ebollizione dell'acqua. In primo luogo, l'energia termica viene trasferita alle molecole d'acqua, che si muovono a velocità più elevate. Dopo un po' di tempo, le molecole d'acqua avranno troppa energia per rimanere legate come un liquido. Per questo motivo, si trasformano in molecole gassose di vapore acqueo. Queste ultime salgono verso la superficie del liquido sotto forma di bolle, in modo da poter fuoriuscire e viaggiare nell'aria. Ora possiamo riprendere la definizione di calore latente di vaporizzazione in modo più dettagliato:
Il calore latente di vaporizzazione è la quantità di energia termica necessaria per trasformare un grammo di una sostanza liquida in gas, data una temperatura costante.
Per far evaporare l'acqua, dobbiamo impiegare molta energia (calore) per rompere i numerosi legami idrogeno tra le molecole. Quando una sostanza richiede molta energia per evaporare, essa ha un elevato calore latente di vaporizzazione. Ciò significa che possiamo usare l'acqua per controllare la temperatura. Ad esempio, gli esseri umani sudano per raffreddarsi e perdono solo una piccola quantità di acqua, poiché soltanto per produrre quel ridotto quantitativo di sudore viene impiegata molta energia.
In che modo le molecole d'acqua possono agire da tampone nei confronti delle variazioni di temperatura?
La capacità termica specifica è la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado Celsius la temperatura di un grammo d'acqua.
L'acqua ha un'elevata capacità termica specifica, ovvero è necessaria molta energia per aumentare la temperatura dell'acqua perché i legami idrogeno tra le molecole d'acqua possono assorbire molta energia. Di conseguenza, l'acqua agisce come un tampone, cioè resiste alle variazioni di temperatura più di altre sostanze.
Poiché la temperatura dell'acqua non cambia rapidamente, tale proprietà può essere utile negli organismi viventi. Ad esempio, l'acqua all'interno del nostro corpo tende a rimanere a una temperatura stabile, permettendoci di mantenere una temperatura interna costante. Un altro buon esempio sono gli habitat acquatici; la temperatura è probabilmente più stabile in acqua che sulla terraferma, il che li rende un ambiente ideale per alcuni organismi.
Perché la coesione e l'adesione dell'acqua sono proprietà funzionali?
Quando diciamo che l'acqua è coesiva, intendiamo dire che le molecole d'acqua tendono ad aderire tra loro perché sono polari. La forte coesione implica che l'acqua ha un'elevata tensione superficiale quando entra in contatto con l'aria, motivo per cui i pattinatori possono "camminare" sulla superficie dell'acqua. Questa proprietà di forte coesione permette anche all'acqua di scorrere, quindi è ideale per il trasporto di sostanze, ad esempio il movimento attraverso i vasi sanguigni degli animali o le colonne d'acqua nello xilema delle piante (il tessuto vegetale adibito al trasporto della linfa).
Mentre, come abbiamo visto, la coesione indica la capacità delle molecole d'acqua di legarsi tra loro, l'adesione si riferisce alla capacità dell'acqua di aderire ad altre sostanze. Utilizziamo lo stesso esempio dello xilema. L'acqua aderisce alle pareti dei vasi dello xilema, il che le consente di risalire la pianta verso le placche, dove evapora. Per saperne di più, consulta il nostro articolo sullo xilema.
Molecola d'acqua - Punti chiave
- Una molecola d'acqua è composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno con una condivisione non uniforme di elettroni, il che rende le molecole d'acqua polari e in grado di formare legami a idrogeno.
- L'acqua è un importante metabolita, ovvero un prodotto del metabolismo, poiché le molecole d'acqua vengono rilasciate e utilizzate durante le reazioni rispettivamente di idrolisi e condensazione.
- L'acqua è un buon solvente grazie alle sue proprietà polari, utili per il trasporto di sostanze e per consentire lo svolgimento di reazioni chimiche.
- L'acqua ha un'elevata capacità termica specifica, dovuta ai numerosi legami idrogeno. Ciò rende l'acqua un habitat adatto per alcuni organismi e un elemento fondamentale per mantenere una temperatura interna costante nel corpo umano.
- L'acqua ha un elevato calore latente di vaporizzazione (sempre a causa dei suoi numerosi legami idrogeno), perciò è utile per controllare la temperatura attraverso la perdita di acqua.
References
- Fig. 1 - Ball and stick model of water molecule labelled with element symbol (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_Molecule_Ball_and_Stick.png) by MsKDinh is licensed by CC BY-SA 4.0
- Fig. 2 - Two water molecules (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_dimer.png) by P.wormer is licensed by CC BY-SA 3.0
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