Prima di affrontare il problema della elettrolisi o della dissociazione dell’acqua, è necessario conoscere alcune caratteristiche chimiche fisiche della molecola dell’acqua.
I due Idrogeni sono legati all’Ossigeno tramite legami covalenti che condividono una coppia di elettroni.
La molecola d’acqua è composta da 2 atomi di Idrogeno e 1 atomo di Ossigeno.
Nella molecola dell’acqua, c’è un solo elettrone che orbita attorno all’atomo di Idrogeno.
La carica negativa dell’elettrone è bilanciata dalla carica positiva del protone del nucleo di Idrogeno.
Per raggiungere la stabilità elettronica, l’atomo di Idrogeno necessita di un altro elettrone.
L’atomo di Ossigeno ha 2 elettroni nell’orbita interna e 6 elettroni nell’orbita esterna.
Per bilanciare la carica negativa dei suoi 8 elettroni, Il nucleo di Ossigeno ha 8 protoni.
Per raggiungere la stabilità elettronica, richiede altri 2 elettroni, completando in questo modo l’ottetto.
Nella molecola dell’acqua, per ottenere la stabilità elettronica, l’Idrogeno e l’Ossigeno, mettono in compartecipazione i loro elettroni; così l’Ossigeno condivide i suoi elettroni esterni con gli elettroni di 2 atomi di Idrogeno.
Ciascuno dei 2 atomi di Idrogeno mette in compartecipazione il suo elettrone con un elettrone dell’Ossigeno, formando il legame covalente.
In questo modo l’ossigeno ha gli 8 elettroni che lo rendono elettronicamente stabile, come pure ciascuno dei 2 Idrogeni, ottenendo l’elettrone che gli manca, ottiene la stabilità elettronica.
I due atomi di Idrogeno, si dispongono dalla stessa parte, formando un dipolo elettrico con la carica positiva sull’Idrogeno e la carica negativa, dalla parte opposta dell’Ossigeno; i 4 elettroni formano due doppietti elettronici.
La molecola d’acqua, è elettricamente neutra con le cariche positive e negative, contrapposte, formando un dipolo elettrico.
La formazione di questo dipolo elettrico, dispone le molecole d’acqua orientate in modo che i poli positivi siano attratti dai poli negativi della molecola d’acqua vicina.
La configurazione a dipolo permette la mobilità del fluido acqua, dove le molecole sono collegate tra loro con i legami ad idrogeno, che sono più lunghi e deboli dei legami covalenti.
Gli idrogeni di una molecola, sono attratti dagli elettroni spaiati delle molecole che ha intorno, in tutte le direzioni dello spazio circostante
Per merito di questa distribuzione di cariche elettriche, l’acqua è uno dei migliori solventi polari capace di dissolvere molti composti.
Il legame ad idrogeno è responsabile della solubilità in acqua dei vari composti .
La forza di attrazione dipolo-dipolo, si chiama “legame a idrogeno”; non ha la stessa forza di un legame chimico, pertanto è sensibile alla temperatura.
Il legame a Idrogeno, è più lungo e debole dei legami covalenti circa un ventesimo del legame covalente che c’è tra l’Idrogeno e l’Ossigeno.
All’aumentare della temperatura, aumenta il moto termico molecolare, che rompe i legami a Idrogeno; l’acqua passa dalla fase liquida alla fase di vapore .
Quando la temperatura è sufficientemente bassa, il moto molecolare rallenta trasformando l’acqua in ghiaccio, formando un reticolo cristallino rigido e stabile.
Nel ghiaccio, ogni molecola è circondata da quattro molecole d’acqua connesse tra loro mediante i legami ad idrogeno; questi legami sono talmente deboli che il moto molecolare termico li spacca e riattacca rapidamente (picosecondi); mediamente, ciascuna molecola è attorniata da non più di 4 molecole d’acqua.
Trattandosi di una molecola, molto piccola, se paragonata ad altre molecole di simili dimensioni che generalmente si trovano in forma gassosa a temperatura ambiente (CH4,HF,NH3), l’acqua ha un punto di ebollizione, decisamente, più elevato, 100°C a 1 ATM di pressione.
Questo fatto è dovuto a un’elevata Tensione superficiale, che è la forza che impedisce alle molecole, disposte sulla superficie, di evaporare spontaneamente.
Questo perché, la forza dei legami ad Idrogeno che tiene unite le molecole d’acqua sotto la superficie, si esplica in tutte le direzioni dello spazio, mentre le molecole che si trovano sulla superficie, sono collegate tra loro lateralmente o da sotto.
Questo è anche il motivo per cui il ghiaccio galleggia sulla superficie, dove le molecole d’acqua, passano continuamente dallo stato liquido a quello solido e viceversa; il ghiaccio è l’unica condizione in cui ogni molecola è stabilmente circondata da 4 molecole d’acqua.
In questo contesto, a causa del continuo passaggio dalla fase liquida a quella solida e viceversa, le molecole d’acqua sono più distanti tra loro.
La massima densità, al diminuire della temperatura, non è a 0°C, ma a 4°C.; questo è uno delle rare circostanze in cui lo stato solido è meno denso dello stato liquido.
All’aumentare della temperatura sopra i 4°C, la densità diminuisce a causa dell’aumentare dei moti termici che allontana le molecole.
Riccardo Monti