L'acqua L’acqua è un composto chimico di formula molecolare H2O, in cui i due atomi di idrogeno sono legati all’atomo di ossigeno con legame covalente. Sulla Terra l’acqua copre il 70,8 della superficie del pianeta e più o meno con la stessa percentuale è il maggior costituente del corpo umano. L’acqua è una delle pochissime sostanze esistenti in cui il processo di solidificazione avviene con un aumento di volume specifico. Il ghiaccio, avendo galleggia su di essa. una densità minore dell’H2O liquida, Se l’H2O non avesse questa particolarità, i laghi ghiaccerebbero interamente e, di conseguenza, gran parte delle forme di vita presenti in essi morirebbero. Natura dipolare della molecola dell'acqua Un’importante caratteristica dell’H2O è data dalla polarità della sua molecola. Essa forma un angolo di 104,5° con l’atomo di O al vertice e i due atomi di H alle due estremità. I legami covalenti tra l’atomo di O e gli atomi di H sono polari perché il nucleo dell’atomo di O, fortemente elettronegativo, attrae verso di sé gli elettroni degli atomi di H. Nel suo insieme, la molecola di H2O è elettricamente neutra; tuttavia, a causa dell’asimmetrica distribuzione degli elettroni, gli atomi di H presentano una debole carica positiva, mentre l’atomo di O presenta una debole carica negativa. Una molecola che presenta questo squilibrio di cariche elettriche è detta dipolo elettrico. L’acqua è quindi una MOLECOLA POLARE. Le straordinarie proprietà dell’acqua derivano proprio dall’attrazione tra le molecole polari di questa. La carica positiva presente su un atomo di H di una molecola è attratta da quella negativa presente sull’atomo di O di una molecola vicina. Questa attrazione nell’acqua è particolarmente intensa e prende il nome di LEGAME A IDROGENO e spiega molte delle proprietà fisiche tipiche dell’H2O. Ogni molecola di H2O può formare legami a idrogeno con un massimo di 4 molecole vicine. Il legame a idrogeno è responsabile dei valori relativamente alti del punto di fusione e del punto di ebollizione dell’H2O E’ necessaria una maggiore energia (rispetto a sostanze meno polari) per rompere i legami a idrogeno che legano le molecole le une alle altre. E’ sempre il legame a idrogeno che spiega il comportamento dell’H2O quando congela Quando la temperatura si abbassa fino al punto di congelamento, le molecole di H2O si organizzano in una struttura cristallina con simmetria esagonale, tipica del ghiaccio, che risulta meno densa dell’H2O liquida. Chimicamente l’H2O è un buon solvente. Nel Medioevo gli alchimisti tentarono di trovare un solvente universale che fosse in grado di sciogliere qualsiasi sostanza ma i loro risultati dimostrarono che niente è meglio dell’H2O come solvente. Questo è dovuto alla polarità delle sue molecole. L’H2O è un buon solvente ma non è però un solvente universale; se lo fosse non potrebbe essere conservata in alcun contenitore, comprese le cellule. Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, dal momento che consentono lo svolgersi delle complesse reazioni chimiche che costituiscono le basi della vita stessa (ad esempio, quelle che avvengono nel sangue o nel citoplasma della cellula). A causa della sua capacità solvente l'acqua in natura non è mai pura, ma contiene al suo interno moltissime particelle: argilla, silice, calcare, idrossido ferrico, alghe, grassi, microrganismi, detriti vegetali Materiali dispersi (colloidali): silice colloidale, acidi umici Sostanze disciolte: < 10 Å: Gas: (O2, N2, CO2, NH3, H2S, SO2, ossidi di azoto) Anioni: (HCO3-) Cationi: (Ca2+, Mg2+) Importanza biologica dell'acqua  L'acqua è una componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta. Nel protoplasma di tutte le cellule, sia procarioti sia eucarioti, l'acqua rappresenta il composto predominante e agisce come solvente per tutte le biomolecole (come carboidrati, proteine, vitamine idrosolubili, ecc.);  Oltre che come solvente, l'acqua partecipa attivamente come reagente in diverse reazioni metaboliche, soprattutto quelle di idrolisi, ed è, assieme alla CO2, uno dei principali reagenti della fotosintesi clorofilliana;  è inoltre, sempre assieme alla CO2, il prodotto conclusivo del processo di respirazione cellulare. L'acqua nel corpo umano adulto L'acqua nel corpo umano adulto L’acqua sulla Terra La presenza di acqua liquida (e in misura minore nelle forme gassosa e solida) sulla Terra è una condizione essenziale per lo sviluppo e il sostentamento della vita come la conosciamo. La Terra presenta tali condizioni favorevoli poiché si trova in quella che gli astronomi definiscono zona abitabile del sistema solare, ovvero una stretta fascia orbitale in cui l'irraggiamento da parte del Sole è tale da mantenere l'acqua allo stato liquido. Teorie in merito all'origine dell'acqua sulla Terra. Le due ipotesi più accreditate ritengono che l'acqua sia giunta sulla Terra o a seguito degli impatti con le comete, oppure a seguito della grande attività vulcanica della Terra primordiale, che avrebbe rilasciato nell'atmosfera grandi quantità di vapore acqueo, riprecipitato sotto forma di pioggia. Ciclo dell'acqua Acqua: disponibilità e consumi SUPERFICIE TERRESTRE: circa il 71% è ricoperto di acqua il 29% circa è rappresentato dalle terre emerse Su 510 milioni di chilometri quadrati di superficie, ben 364 sono occupati dall'acqua, per un volume di 1400 milioni di chilometri cubi. Proprio per questo motivo, spesso, il Pianeta Terra è stato chiamato il “Pianeta Azzurro”. Oltre il 97% di tutta l’acqua presente sulla Terra è rappresentata da acqua salata. Acque dolci  Le acque dolci rappresentano meno del 3% di tutta l’acqua presente sulla Terra e sono distribuite in maniera molto diversificata:  ghiacciai e calotte polari;  acque sotterranee (29% dell’acqua dolce presente sulla Terra);  laghi (0,3% dell’acqua dolce disponibile);  umidità atmosferica (0,2% dell’acqua dolce totale);  fiumi: sono una delle forme di più facile sfruttamento per l’uomo, ma contengono solamente lo 0,003% di acqua dolce. Acque dolci CARATTERISTICHE DELLE ACQUE Caratteri organolettici Caratteri fisici Temperatura Torbidità Sono quelli che possono essere percepiti con gli organi di senso. L’acqua pura è inodore, incolore e insapore e la variazione di questi parametri è associata alla presenza di sostanze organiche e inorganiche. Tali variazioni possono essere imputabili a cause naturali (es.: acque sulfuree per presenza di H2S) o artificiali (inquinamento). E’ relativamente costante per le acque di falda, e diminuisce con l’aumentare della profondità. Per i corpi idrici superficiali dipende dal clima locale e dalla profondità del bacino. E’ dovuta alla presenza di particelle solide in sospensione o a sostanze colloidali (sostanze che liberano in soluzione particelle di diametro compreso fra 0,1 e 0,001 μm). CARATTERISTICHE DELLE ACQUE Caratteri chimici pH Residuo Durezza Può variare da 0 a 14. Le variazioni sono determinate dalla presenza di sali minerali costituiti da basi deboli e acidi forti, dai bicarbonati, dai carbonati e dagli idrossidi. Esso influenza la quantità e la qualità dei sali e delle sostanze disciolte (CaCO3, CO2, H2CO3). Quantità di sostanze disciolte che si possono recuperare da una soluzione. E’ la capacità di un’acqua di precipitare i saponi (sali alcalini di acidi grassi). La durezza dell’acqua può rendere sgradevole il sapore dei cibi, influisce sulla loro cottura, determina incrostazioni nelle condutture, diminuisce l’azione dei saponi. E’ espressa in mg/l di CaCO 3 o in gradi francesi (1 grado francese = 10 mg/l di CaCO3). CARATTERISTICHE DELLE ACQUE Caratteri chimici Contenuto di CO2 H2S e HS- Aggressività È disciolta nelle acque sottoforma di CO2 o H2CO3 e proviene dall’atmosfera, dal suolo o dalla degradazione delle sostanze organiche. Normalmente si trova ad una concentrazione di 2,5 ppm. Una concentrazione eccessiva può essere corrosiva per le condutture. Possono essere presenti in acque di falda, dove giungono a seguito di attività vulcaniche (acque minerali sulfuree). In acque superficiali sono indice di inquinamento organico. A concentrazioni superiori a 0,05 ppm corrodono le condutture. E’ la capacità di sciogliere il CaCO3 ed è associata a elevate concentrazioni di CO2, O2, H2S e sali come MgCl2 o MgSO4. E’ particolarmente importante l’equilibrio: CaCO3 + CO2 + H2O  Ca(HCO3)2 CARATTERISTICHE DELLE ACQUE Caratteri chimici Cationi Provengono dalla degradazione delle rocce (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) Anioni In particolare i cloruri (oltre a bromuri e ioduri). A concentrazioni maggiori di 200-250 ppm modificano le caratteristiche organolettiche, corrodono e provocano danni alle colture. Un loro aumento può essere legato ad infiltrazioni di acque marine o a inquinamento causato da deiezioni animali (urine). Azoto Fosforo Si trova sotto diverse forme (N organico, NH 4+, NO2-, NO3-). Una certa quantità di sostanze organiche è sempre presente nell’acqua (tracce) ma un loro incremento è indice di inquinamento (scarichi domestici, industriali e zootecnici, pratiche agricole) o dalla degradazione di vegetali (es.: alghe). Può derivare dalle pratiche agricole, inquinamento domestico (deiezioni o detersivi) e industriale. Assieme all’azoto può essere causa di eutrofizzazione. CARATTERISTICHE DELLE ACQUE Caratteri microbiologici L’acqua pura non contiene microrganismi mentre le acque naturali contengono mole forme di vita. Occorre individuare le forme patogene, portatrici di malattie, per evitare che l’acqua divenga fonte di epidemie. Generalmente i più comuni patogeni provengono dai residui fecali (tifo, paratifo, dissenteria, colera, virus, protozoi, vermi intestinali, ecc.). Poiché tali patogeni sono difficilmente identificabili nelle acque, si ricercano organismi come Escherichia coli o gli Streptococchi fecali che sono indice di contaminazione delle acque. USI dell'ACQUA L'acqua riveste un ruolo centrale in una moltitudine di campi. Si possono suddividere gli usi dell'acqua in: Usi civili:  acqua potabile (alimentazione, igiene)  acqua non potabile (spegnimento incendi, giardinaggio, sport) Usi agricoli Usi industriali Settore civile Uso potabile (8% del totale): Alimentazione (preparazione alimenti e bevande) Igiene (personale e degli impianti sanitari) Imprese alimentari Acqua potabile: “che può essere bevuta” senza nuocere alla salute. Presenta tutti i requisiti stabiliti dalla legge per servire all’alimentazione: deve essere limpida, incolore, inodore e di sapore gradevole, e non deve contenere germi patogeni o altre sostanze che possono nuocere all’organismo. La durezza deve essere compresa fra 15 e 50 gradi francesi. Settore civile Acque usate per il consumo umano: Meteoriche: solo quando non è possibile provvedere con soluzioni migliori (città di mare, isole, paesi desertici). Vengono raccolte dai tetti delle case e fatte defluire in cisterne sotterranee. Acque dolci superficiali: sono quelle dei corsi d’acqua, dei laghi e degli invasi naturali e artificiali. Il D. Lgs. 152/99 all’art. 7 le classifica in tre categorie (A1, A2 e A3) sulla base delle loro caratteristiche fisiche, chimiche e microbiologiche. In base alla categoria a cui appartengono devono subire trattamenti di tipo diverso. Acque telluriche: sono le acque di falda, che vengono filtrate e trasformate dal suolo, mentre lo attraversano. Sono le più utilizzate. Acqua di mare: può essere talvolta utilizzata in alcune zone attraverso un processo di dissalazione. Usi industriali L'acqua (19% del totale) è usata per:  Produzione di vapore: sono da evitare acque dure (incrostazioni calcaree) o aggressive (corrosione dei materiali). In uscita possono causare inquinamento termico;  Raffreddamento: l’acqua non ha bisogno di caratteristiche particolari. Generalmente la si preleva dai corpi idrici superficiali. Può causare inquinamento termico.  Acque di processo: vengono utilizzate per diversi scopi (fluido per trasporto o trasmissione, reagente chimico, solvente o disperdente, mezzo di lavaggio, componente di cibi e bevande). Le caratteristiche dipendono dall’impiego che ne viene fatto. Di conseguenza, anche i reflui industriali hanno caratteristiche e grado di inquinamento diversi e devono essere trattati con metodi di depurazione opportuni. Consumo di acqua in differenti lavorazioni industriali Alluminio primario Benzina Tessuto di cotone Carbone Gomma sintetica Sapone 125.000 l/t 16.000 l/t 200.000 l/t 6.000 l/t 2.750.000 l/t 2.000 l/t Frutta conservata 25.000 l/t Zucchero 20.000 l/t Birra 20 l/l Usi agricoli (zootecnia e irrigazione) L’agricoltura assorbe la maggior parte delle risorse idriche.  Si calcola che a livello mondiale circa il 70 % dell’acqua prelevata dai fiumi, dai laghi e dalle falde sotterranee sia destinato all’irrigazione  Anche il settore zootecnico (allevamento animale) richiede grandi volumi d'acqua. I consumi idrici, negli allevamenti sono la risultante dell’acqua: – di abbeverata – sprecata per difetti all’impianto di erogazione – utilizzata per il lavaggio delle diverse strutture Acqua per uso zootecnico Consumi di acqua negli allevamenti (l/capo/giorno) BOVINI 45-70 EQUINI 32-45 SUINI 15 OVINI 7 Caratteristiche dell’acqua destinata agli animali: Non deve contenere quantità significative di sostanze tossiche provenienti dallo scarico di inquinanti. Non deve avere caratteristiche microbiologiche tali da rappresentare rischio di diffusione di malattie. Effluenti zootecnici: Il D. Lgs. N. 152/99 individua le aree a diverso grado di vulnerabilità rispetto agli spandimenti per proteggere le riserve idriche profonde. Si è provveduto ad incrementare le infrastrutture finalizzate alla depurazione dei liquami. Acqua per uso irriguo Caratteristiche dell’acqua destinata all’irrigazione: Non deve contenere cloruri che sono nocivi per gran parte delle colture. Il boro è essenziale per la crescita delle piante se presente in tracce nelle acque ma diviene tossico con concentrazioni maggiori. L’impiego del perborato come sbiancante nei detersivi è causa di inquinamento. Il sodio ha effetti negativi diretti e indiretti (danneggia la struttura del suolo) sulle piante. Attenzione ad un uso eccessivo di concimazioni chimiche in agricoltura. Potabilizzazione dell’acqua PROCESSO DI POTABILIZZAZIONE: Consiste in una serie di trattamenti fisici, chimici e biologici che conferiscono all’acqua alcune proprietà indispensabili. CHIARIFICAZIONE: avviene attraverso la sedimentazione e la coagulazione e serve a rendere l’acqua limpida.  Sedimentazione: separa le particelle solide sospese nell’acqua, le quali, a causa della loro maggiore densità, si depositano sul fondo del recipiente che le contiene.  Coagulazione: impiegando sostanze come solfato di Al, o cloruro ferrico si facilita la flocculazione delle particelle colloidali e la loro successiva sedimentazione. FILTRAZIONE: permette la separazione delle parti solide da quelle liquide. Si impiegano filtri costituiti da ghiaia e sabbia (trattiene le particelle più fini sfuggite alla chiarificazione) o da carbone attivo (trattiene la maggior parte delle sostanze organiche ed elimina gli odori sgradevoli). Potabilizzazione dell’acqua ADDOLCIMENTO: quando la durezza dell’acqua è eccessiva occorre allontanare i Sali in eccesso. Per fare questo possono essere impiegate diverse tecniche: Trattamento con calce Ca(OH)2 o Na2CO3 che porta alla precipitazione di CaCO3 e Mg(OH)2 che vengono eliminati sotto forma di fanghi. Resine a scambio ionico: sono delle sferule costituite da un polimero ad alto peso molecolare che presentano gruppi funzionali caricati positivamente o negativamente, che possono scambiare cationi o anioni con i liquidi che le attraversano. Osmosi inversa: si impiegano membrane semipermeabili, costituite da film polimerici, che agiscono come filtri molecolari che lasciano passare l’acqua ma non la maggioranza delle sostanze disciolte in essa. DISINFEZIONE: attuata generalmente con ClO2 che ha un elevato potere disinfettante ed elimina batteri, virus, alghe e altri inquinanti biologici. IMPIANTO DI POTABILIZZAZIONE DELL’ANCONELLA E’ stato progettato per una portata di 4000 l/s. L’acqua dell’Arno viene inviata all’impianto tramite un’opera di presa situata sull’argine del fiume che è protetta da una barriera mobile che evita l’ingresso di sostanze come gli olii, da una griglia fissa e da due griglie meccaniche a luce differenziata che consentono di trattenere il materiale più grossolano. L’acqua che giunge all’impianto subisce una pre-disinfezione con ClO2 e NaClO per abbattere la carica microbica. Successivamente viene aggiunto carbone attivo per eliminare le sostanze chimiche (es.: tensioattivi, pesticidi). L’acqua viene poi inviata agli impianti di decantazione-filtrazione, costituiti da decantatori e filtri a sabbia quarzifera. Le fasi successive sono ozonazione per uccidere batteri, virus, eliminare microinquinanti chimici e migliorare le qualità organolettiche; filtrazione su carbone attivo e post-disinfezione con ClO2.