Che l’acqua ha formula chimica H2O (due atomi di idrogeno e uno di ossigeno) lo sanno un po’ tutti. Che è un liquido incolore e insapore lo sanno ancora più persone. Che noi siamo fatti per i tre quarti di acqua lo si sa un po’ meno, ma lo sanno comunque in parecchi. Forse meno evidenti sono alcune proprietà dell’acqua, che incontriamo più spesso in questo periodo invernale di ghiacci e nevi.
Innanzi tutto l’acqua è liquida a temperatura ambiente (diciamo tra i 15 e i 30 gradi centigradi, le temperature a cui, qui da noi, ci sentiamo a nostro agio). Non c’è nulla di strano, si potrebbe dire. In realtà molti altri composti chimici di peso molecolare simile o anche maggiore (ammoniaca, metano, monossido e biossido di carbonio, monossido di azoto) a temperatura ambiente sono gassosi e si liquefanno (o bollono se si sale di temperatura) a temperature più basse o molto più basse di quelle dell’acqua (-192 °C il monossido di carbonio, -33 °C l’ammoniaca, -161 °C il metano e così via). Anche la temperatura di congelamento e fusione dell’acqua è relativamente alta rispetto a quella degli altri composti succitati: quei famosi zero gradi centigradi a cui noi stiamo abbastanza scomodi, a meno che non siamo Inuit o Siberiani. La cosa interessante, che ci aiuta a capire meglio quanto l’acqua sia particolare, è che quando gela aumenta di volume. Ce ne accorgiamo d’estate, se ci dimentichiamo una bottiglia nel freezer perché vogliamo raffreddarla. Le bottiglie di vetro della birra si rompono, quelle di plastica delle bibite si deformano (con imprevedibili effetti nel caso delle bibite gasate). E ce ne accorgiamo d’inverno se dimentichiamo l’acqua nei tubi della casa in montagna, o quando guidando ci troviamo davanti un pezzo di roccia che l’acqua gelando ha staccato dalla parete rocciosa proprio sopra la statale. L’acqua, gelando, diventa durissima, si espande di volume e spacca tutto quel che tenta di impedirglielo: bottiglie, tubi di ferro, granito e così via. Naturalmente c’è un “trucco” per tutte queste proprietà – temperature, comportamento e così via – che è legato alla struttura molecolare dell’acqua. Senza scendere in tecnicismi, possiamo provare a vedere la cosa con gli occhi dell’immaginazione: prendiamo una piramide regolare a base triangolare (in geometria si chiama tetraedro). Se al centro mettiamo l’atomo di ossigeno, in due dei vertici si verranno a trovare i due atomi di idrogeno e negli altri due vertici due coppie di elettroni dell’ossigeno. L’acqua a livello molecolare è fatta così. Ora, gli elettroni hanno carica negativa e gli atomi di idrogeno dell’acqua, per motivi che non stiamo a spiegare, hanno carica parzialmente positiva. Il risultato è che le molecoline di acqua si attraggono “un po’” tra loro. Questo spiega le temperature di ebollizione e congelamento relativamente alte. Inoltre, se l’energia del sistema scende abbastanza (ovvero quando diventa freddo) l’agitazione termica non è più sufficiente a tenere distaccate tra di loro le molecole e i tetraedrini si mettono “di punta”, vertice contro vertice, uno accanto all’altro, carica positiva contro carica negativa, e gelano in quella posizione. Risultato: l’acqua solida aumenta di volume tubi, bottiglie e rocce si rompono e i fiocchi di neve hanno quelle forme bellissime, che ritagliavamo da bimbi con carta e forbici (e che magari i nostri bimbi ritagliano ancora) proprio perché l’acqua cristallizzando si dispone con regolarità seguendo la forma e la simmetria del primo tetraedrino “di partenza” che sta al centro del fiocco di neve.
[Ugo Finardi – Chimico, ricercatore CNR]
