L'angolo dell'acqua
Il mio professore universitario di chimica ha detto che grazie alla struttura dell'acqua con un angolo di circa 105° che si è evoluta la vita sulla terra. Mi spiegate questo concetto? Voglio dire, se la struttura dell'acqua fosse stata lineare, non si mantenevano lo stesso le caratteristiche polari dell'acqua? In che modo si sarebbero perse le funzioni dell'acqua se questa non avesse avuto una struttura ad angolo 105° ma fosse stata lineare? Che relazione c'è tra la struttura dell'acqua e la nascita della vita? Vi ringrazio in anticipo e spero di ricevere una risposta piuttosto accurata visto che questo fa parte delle conoscenze della materia che sto studiando! Grazie.
6 novembre 2005
I motivi per cui l'acqua, H2O, viene definita la molecola della vita sono molteplici. È un dato abbastanza oggettivo il fatto che l'acqua abbia un ruolo di primo piano nei processi biologici. Infatti, la maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono nel nostro organismo e in quello degli altri viventi avvengono in fase acquosa, ovvero in presenza di acqua come solvente. Le reazioni che avvengono in ambiente anidro, in assenza di acqua, sono meno comuni. Questo è probabilmente dovuto anche all'abbondanza di acqua sulla Terra, nell'atmosfera, negli oceani e come costituente fondamentale degli organismi viventi stessi. L'uomo, ad esempio, è fatto per il 70 % da acqua.
La comparsa della vita sul pianeta Terra è strettamente connessa alla presenza di vapor d'acqua nell'atmosfera terrestre di oltre 3 miliardi di anni fa e nel cosiddetto “brodo primordiale”, che fu la fucina dei primi amminoacidi, secondo la teoria del biochimico russo Alexander Oparin del 1924. Questa teoria è ancora oggi la più accreditata, soprattutto dopo i famosi esperimenti di Stanley Miller del 1953. L'inizio della vita viene infatti associata alla comparsa dei primi amminoacidi, considerati i veri “mattoni dei viventi”, originatisi, secondo la teoria, nell'oceano caldo presente sulla terra nell'era precambriana. Questo brodo primordiale era un misto di ammoniaca, idrogeno e metano, sotto un'atmosfera ricca di vapor d'acqua, metano, ammoniaca ed altre molecole, dalle quali si sarebbero formati gli amminoacidi grazie all'apporto energetico di scariche elettriche (fulmini). In definitiva, non è un caso che la ricerca della vita sugli altri pianeti, come con le recenti esplorazioni su Marte, sia legata proprio alla ricerca di riserve di acqua. Guardando più da vicino la molecola di questa sostanza, tra le caratteristiche che fanno dell'H2O una molecola così speciale, queste sono certamente le più importanti:
- L'acqua è una molecola polare. Questa proprietà è legata alla forma molecolare e al fatto che gli elementi chimici che costituiscono la molecola d'acqua sono due elementi, l'ossigeno e l'idrogeno, aventi diversa elettronegatività. L'ossigeno è più elettronegativo e tende ad attrarre gli elettroni di legame, mentre l'idrogeno, che è meno elettronegativo, ha una tendenza minore ad attrarre gli elettroni di legame. Questo è già di per sé, un dato significativo, perché il legame tra l'ossigeno e l'idrogeno, che è un legame di tipo covalente (con la condivisione di due elettroni provenienti uno dall'idrogeno e uno dall'ossigeno) è un legame polare.
Questo significa che possiamo pensare al legame tra l'idrogeno e l'ossigeno, come ad un dipolo elettrico, con una carica positiva in corrispondenza dell'idrogeno e una carica negativa in corrispondenza dell'ossigeno. Nell'acqua ci sono due legami di questo tipo, in quanto gli atomi di idrogeno sono due. Se per assurdo la molecola di acqua fosse lineare, il dipolo della molecola d'acqua sarebbe nullo. Infatti, secondo questa rappresentazione:
ci sarebbe un dipolo diretto dall'idrogeno (1) verso l'atomo di ossigeno che, sommato al dipolo diretto dall'idrogeno (2) verso l'ossigeno, darebbe un dipolo uguale a zero. I dipoli si comportano infatti come dei vettori. D'altra parte, la molecola d'acqua non può avere una forma lineare, per motivi legati alla distribuzione degli elettroni attorno all'atomo di ossigeno. L'atomo di ossigeno (elemento del gruppo VI A della tavola periodica) possiede sei elettroni di valenza, che nella molecola di acqua sono così distribuiti: due sono impegnati nei legami covalenti con gli atomi di idrogeno e due coppie di elettroni di valenza rimangono attorno all'atomo di ossigeno. Su questo atomo quindi ci sono quattro “zone” di carica negativa, due coppie di elettroni non condivisi e due elettroni di legame. Se pensiamo all'atomo di ossigeno come ad una sfera, i quattro punti di carica tendono a disporsi il più possibile lontani l'uno dall'altro. Questo effetto di repulsione elettrostatica fa sì che i legami e le coppie di elettroni tendano a disporsi ai vertici di un ipotetico tetraedro, come riportato in questa rappresentazione:
Questo spiega perché la molecola di acqua è piegata, con un angolo α molto simile all'angolo del tetraedro (che è di 104.9°. In una molecola piegata, la somma dei dipoli, che si comportano appunto come dei vettori, non è nulla.
Esiste una spiegazione più rigorosa della forma molecolare, che chiama in causa la teoria degli orbitali e il concetto di ibridizzazione, che si trova nei testi di chimica generale adottati anche dai corsi di chimica di base. Per ulteriori approfondimenti esistono comunque diversi siti internet, alcuni dei quali sono riportati tra i riferimenti alla fine del testo. Tuttavia, le considerazioni puramente elettrostatiche sopra riportate riescono a spiegare la geometria e di conseguenza la polarità delle molecole d'acqua.
- L'acqua è altamente coesiva. Questo vuol dire che le molecole di acqua tendono ad unirsi, ad avvicinarsi, proprio per effetto della polarità. La parte negativa di una molecola d'acqua, l'ossigeno, tende ad avvicinarsi a quella positiva di un'altra, l'idrogeno, e così via... Nell'acqua in fase liquida infatti le molecole formano continuamente legami a ponte di idrogeno con le vicine. Mediamente una molecola di acqua in fase liquida è circondata da 3,4 molecole di acqua, mentre in fase solida (nel ghiaccio) da 4 molecole.
La coesione a sua volta spiega la formazione delle gocce d'acqua e l'affinità di queste molecole con le altre sostanze, per lo più polari. L'acqua è un ottimo solvente, poiché scioglie gran parte delle sostanze presenti in natura, dai sali inorganici alle proteine, dagli ioni organici alle macromolecole più complesse come il DNA. Per questo l'acqua è una molecola indispensabile affinché avvenga qualsiasi processo biochimico. Dalla fotosintesi clorofilliana nelle piante, che garantisce la produzione dell'ossigeno molecolare (O2) sulla terra, alla sintesi dell'ATP, la molecola che funziona da trasportatore di energia nella maggior parte degli organismi viventi, moltissimi sono i processi biologici che avvengono in fase acquosa.
Valentina Domenici
Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, Università di Pisa
