Se pensate che l’acqua sia una sostanza chimica noiosa, vi sbagliate di grosso. Possiede molte proprietà straordinarie che originano dalla sua struttura chimica. Alcune sono note, altre invece si rivelano solo in luoghi remoti del cosmo. Tutto comincia con una singola molecola, l’iconica formula «H2O». A scuola è il primo assaggio di chimica e nella vita di tutti giorni ci abbiamo a che fare costantemente. La possiamo trovare ovunque, dai crateri lunari, ai corpi idrici terrestri, nelle rocce e in ogni essere vivente. Vediamo quali segreti nasconde.
Un gioco di cariche elettriche
La struttura molecolare dell’acqua non è simmetrica: i due idrogeni legati all’ossigeno formano un angolo di 104.5°. L’ossigeno possiede due coppie di elettroni libere che “spingono” gli idrogeni il più lontano possibile, fino al preciso angolo sopra citato. Questo significa che la molecola presenta una forma tetraedrica con un dipolo elettrostatico. Come una batteria, avrà un lato positivo e uno negativo. E si sa che gli opposti si attraggono. Tutte le molecole di acqua si possono aderire tra di loro facendo combaciare il lato positivo con quello negativo della molecola vicina. Questo legame elettrostatico è detto legame a idrogeno. Immaginiamo per un attimo un universo in cui l’acqua non può formare questo tipo di legame. Sarebbe un disastro! Questo perché avrebbe una temperatura di ebollizione attorno a –100 °C. Non esisterebbe acqua liquida sulla terra e di conseguenza niente vita. Grazie a questa forte interazione l’acqua liquida presenta una sorta di pellicina, un fenomeno detto tensione superficiale, che permette ad alcuni insetti di appoggiarsi comodamente senza sprofondare.
Permette inoltre all’acqua di arrampicarsi sulle pareti dei materiali, e risalire per molti metri in sottili capillari, come succede con le piante che si sono evolute per sfruttare questo effetto. Ma le piante non vivono di sola acqua: senza nutrimento non sopravviverebbero. Qui la chimica dell’acqua gioca un altro ruolo fondamentale. Infatti, è uno dei migliori solventi che ci siano in natura. Scioglie di tutto e di più, dalle rocce ai nutrienti organici. Questo è molto conveniente per le piante, che hanno di fatto lunghe cannucce costantemente affondate nel terreno ricco di tutto quel nutrimento disciolto.
Il ghiaccio galleggia sull’acqua
Immagino che nessuno sarà caduto dalla sedia leggendo il titolo del paragrafo, ma vi siete mai chiesti l’origine di questo fenomeno? Nell’acqua liquida le molecole si muovono liberamente, incastrandosi alla perfezione e occupando tutto lo spazio disponibile. Se l’acqua si raffredda e la sua temperatura scende sotto lo 0°C, le molecole rallentano fino a fermarsi e cristallizzare, assumendo una disposizione che – grazie al legame a idrogeno – forza le molecole a stare distanti tra loro. Di fatto abbiamo la stessa quantità di acqua ma in uno spazio più grande, quindi una densità minore, ed ecco che il ghiaccio galleggia sull’acqua.
Espandendosi l’acqua occuperà più spazio (circa il 9% in più), ed è per quello che non va dimenticata una bottiglia piena in freezer, altrimenti, se di plastica, si deformerà, o esploderà nel caso sia di vetro. La forza dell’acqua è immensa: è in grado di distruggere tubi d’acciaio e rompere facilmente cemento, asfalto e persino la pietra.
Il ghiaccio non è tutto uguale
Delle oltre 20 forme di ghiaccio (o fasi) ad oggi conosciute, solo il ghiaccio Ih, Ic e il ghiaccio amorfo, a bassa densità, sono meno dense dell’acqua liquida. Praticamente, tutto il ghiaccio naturale sulla terra esiste in forma cristallina esagonale (ghiaccio Ih) – come i cubetti di ghiaccio fatti in freezer o i fiocchi di neve – oppure in forma cristallina cubica (ghiaccio Ic), più raro, che si forma a -80°C, per esempio, negli strati di nuvole più alti. Se aumentiamo la pressione dell’acqua si possono forzare le molecole a cristallizzare in reticoli cristallini esotici, che esibiscono proprietà aliene. Andiamo a scoprire quelle più interessanti.
Ghiaccio VII
Scordatevi tutto quello che pensate sul ghiaccio, partendo dal fatto che è freddo, perché questa forma cristallina cubica di ghiaccio, che si forma a pressioni estreme, può rimanere solido fino a 400°C! Non a caso viene spesso chiamato «ghiaccio bollente». Sebbene richieda condizioni di pressione estreme per esistere, diversi corpi del sistema solare, come Urano e Nettuno ne ospitano grandi quantità, e sorprendentemente ne possiamo trovare minuscole quantità anche qui sulla Terra, intrappolate come impurezza all’interno dei diamanti provenienti dagli strati profondi del mantello.
Ghiaccio XVIII
Se il ghiaccio VII vi sembrasse impossibile, questa forma potrebbe arrivare da un libro di fantascienza. Scendendo verso il nucleo dei giganti gassosi sopracitati, raggiungiamo pressioni inimmaginabili. Qui il ghiaccio si trasforma in un materiale completamente esotico. Immaginate un ghiaccio caldissimo e nero, all’interno del quale gli atomi di idrogeno si muovono liberamente come se fosse elettricità all’interno di un metallo. Questo ghiaccio è chiamato «superionico» ed è, con buona probabilità, la dinamo che genera gli immensi campi magnetici dei giganti ghiacciati. La sua esistenza è stata confermata sperimentalmente qui sulla terra grazie all’esperimento condotto nel 2019 al Lawrence Livermore National Laboratory .
Ghiaccio amorfo
A differenza di quello terrestre, il ghiaccio spaziale extra planetario assume una forma amorfa, ovvero non cristallina, come il vetro o il burro. Ce ne sono varianti a bassa media e alta densità, via via più compresse. Sulla Terra è possibile trovarlo solo in laboratorio poiché le condizioni per ottenerlo naturalmente, non ci sono. Come tutti i solidi amorfi è molto affascinante perché si trova in quello stato di solido-non solido che sembra a tutti gli effetti una fotografia dell’acqua liquida bloccata nel tempo.
L’acqua è bagnata?
Sembra una domanda stupida ma vi assicuro che non lo è, e tuttora gli scienziati dibattono (anche un po’ scherzosamente) su questo tema. Generalmente associamo alla sensazione del bagnato quella dell’acqua sulla pelle, tuttavia, vi sorprenderà sapere che nella nostra pelle non esistono recettori nervosi del bagnato. La sensazione di bagnato è creata dal nostro cervello che combina la percezione del cambio di temperatura e della pressione del liquido sulla pelle. Non ci credete? Provate ad indossare dei guanti di lattice sottili e immergete la mano nell’acqua fresca. La vostra mano resterà perfettamente asciutta, ma non potrete fare a meno di provare la sensazione di bagnato. La mia interpretazione è che l’acqua bagna, nel senso che aderendo a un oggetto ne può permeare la struttura o depositarsi su di esso, quindi chiedersi se l’acqua stessa è bagnata è una non domanda. Un fluido come l’acqua è bagnato solo dal punto di vista della superficie con cui interagisce.