Dagli atomi alle biomolecole

L'acqua

L'acqua è un composto chimicamente semplice, formato da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H2O), che riveste fondamentale importanza in biologia: costituisce il principale componente in peso (40-98%) degli organismi, ed è il mezzo in cui si svolge la maggior parte dei processi biochimici. L'acqua presente in un organismo può essere libera quando non fa parte della struttura di un composto chimico e può muoversi da un punto all'altro dell'organismo, svolgendo fondamentalmente la funzione di mezzo nel quale si bagnano le cellule o legata, quando fa parte della struttura di un composto chimico.

Le particolari caratteristiche chimico-fisiche dell'acqua sono una conseguenza dei legami a idrogeno che si instaurano tra ogni molecola d'acqua e le altre molecole vicine a causa dei legami a idrogeno. I legami a idrogeno tendono a far "aderire" più tenacemente le molecole d'acqua tra loro e questo influenza altre proprietà, come la tensione superficiale e la capacità termica; inoltre, la natura dipolare della molecola d'acqua ne spiega l'elevato potere solvente (v. tab. 1.1.).

Soluzioni

Si definisce soluzione una miscela omogenea di due o più sostanze: quella o quelle presenti in quantità minore sono dette soluti e quella presente in quantità maggiore è detta solvente. La concentrazione di una soluzione è la quantità di soluto (o di soluti) espressa in grammi, contenuta in una determinata quantità in peso o in volume di solvente o soluzione. La solubilità di un soluto in un solvente è la massima quantità di soluto che, a una determinata temperatura, può sciogliersi in una certa quantità di solvente. In tali condizioni di concentrazione, la soluzione si dice satura, cioè un'ulteriore aggiunta di soluto precipiterebbe sul fondo come solido.

Le soluzioni più comuni sono le soluzioni acquose, in cui il solvente è l'acqua. Nelle soluzioni le particelle costituenti sono atomi, ioni o molecole di piccole dimensioni.

I colloidi sono invece pseudo-soluzioni, in cui le particelle di soluto sono macromolecole visibili all'ultramicroscopio. Una sostanza colloidale è, per esempio, il citoplasma che costituisce le cellule.

Il pH

Nell'acqua, vi è sempre una piccolissima parte di molecole dissociate in uno ione idrogeno o protone H⁺ e uno ione idrossido OH^-. Nell'acqua pura, il numero di ioni idrogeno è uguale al numero di ioni ossidrile, e l'acqua pura è dunque neutra. Pertanto, si definisce neutra qualunque soluzione acquosa che contenga un'uguale concentrazione di ioni negativi (OH^-) e di ioni positivi (H⁺); si definisce acida la soluzione in cui prevalgono ioni H⁺ (e acidi sono i composti che in acqua liberano ioni H⁺); si definisce basica la soluzione in cui prevalgono ioni OH^-(e basi o idrossidi sono i composti che in acqua liberano ioni OH^-).

L'acidità (o la basicità) di una soluzione dipende dalla quantità di ioni H⁺(o di ioni OH) presenti. Per poterla misurare, i chimici fanno riferimento alla scala del pH, divisa in 14 gradi: a metà della scala, il valore 7 (pH= 7) significa che nella soluzione vi è un ugual numero di ioni H⁺ e OH^-, cioè la soluzione è neutra; i valori inferiori indicano che la soluzione è acida, i valori superiori che la soluzione è basica.

Se si mescola una soluzione acida con una basica avviene una reazione di neutralizzazione: in acqua gli acidi e le basi si scindono in ioni, gli ioni H⁺ e OH^- si uniscono per formare acqua, mentre gli ioni negativi e postivi dei composti si uniscono per formare un sale:

Le proprietà dell'acqua
Tensione superficiale	A causa dei legami a idrogeno, l'acqua ha elevata tensione superficiale, cio� la capacit� delle sue molecole di formare in superficie una sottile pellicola elastica; questo spiega anche la tendenza dell'acqua a riunirsi in gocce sferiche. Alla tensione superficiale � collegato il fenomeno della capillarit�, cio� la capacit� dell'acqua di risalire lungo tubi capillari, sfruttata dalle piante per assorbire l'acqua dal terreno.
Capacit� termica	L'acqua bolle a 100 �C e gela a 0 �C; se non avesse legami a idrogeno, bollirebbe a - 80 �C e gelerebbe a - 95 �C. Questo significa che assorbe (e cede) una grande quantit� di energia (sotto forma di calore) per passare dallo stato liquido a quello aeriforme (o viceversa) oppure da liquido a ghiaccio. Si dice allora che l'acqua ha un'elevata capacit� termica, cio� riesce a immagazzinare e liberare una notevole quantit� di calore: questa � una propriet� molto importante per mantenere l'equilibrio termico degli organismi.
Potere solvente	La molecola dell'acqua ha un elevato potere solvente nei confronti di tutte le sostanze solide dissociabili in ioni in soluzione (come acidi, basi e sali, v. "Il pH"). Queste sostanze possiedono infatti legami ionici che vengono facilmente indeboliti dalla molecola d'acqua, che si dispone con il polo negativo verso i cationi e quello positivo verso gli anioni. Gli ioni vengono cos� a essere "circondati" dalle molecole d'acqua che li trascinano in soluzione. Per questo, in natura l'acqua non � mai pura, ma ha un pi� o meno elevato contenuto di sali, per cui si pu� definire la salinit� dell'acqua (la quantit� di sali disciolti) e la sua durezza (quantit� di sali "incrostanti", soprattutto carbonato di calcio e magnesio).