Come tutti sanno, la molecola d’acqua (H2O) è costituita tre atomi, due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Liquida a temperatura e pressione ambiente, l'acqua ha permesso la vita sulla Terra ed è famosa per essere un liquido dal comportamento anomalo. Se consideriamo la sua densità, ad esempio, è massima a 4°C, permettendo al ghiaccio di galleggiare. Ma da cosa è dovuta questa stranezza? Scopriamolo insieme, andando a indagare quello che il Prof. Nilsson Andres dell’università di Stoccolma ha definito come "il liquido più strano’’ in assoluto.
Gli stati dell'acqua
Ogni molecola esistente in natura e sulla Terra cambia forma e proprietà in funzione della temperatura e della pressione a cui si trova: questo ne definisce il cosiddetto stato fisico della materia. Per quanto riguarda l’acqua c'è lo stato solido a partire dagli 0°C a pressione ambiente, e parliamo quindi di ghiaccio o neve. Esiste poi l’acqua liquida e il vapor acqueo, lo stato gassoso visibile a partire dei 100°C a pressione ambiente. Anche se non si trova nella vita di tutti i giorni, in laboratorio è stato possibile generare anche il plasma d'acqua, scaricando una tensione elevata su di un serbatoio d’acqua.
I passaggi di stato dell’acqua sono uguali a quelli delle altre molecole. Si parla infatti di fusione – e non scioglimento – di evaporazione, di condensazione, di solidificazione, di sublimazione e di brinamento.
Ma siamo sicuri di conoscere a fondo tutte queste sue forme e trasformazioni? Per rispondere a questa domanda dobbiamo prima conoscere un po’ più a fondo la fisica della molecola d’acqua.
La fisica dell’acqua
La molecola d’acqua ha delle caratteristiche uniche: la sua struttura molecolare a temperatura ambiente assomiglia ad un dipolo, una pila se volete, dove la carica elettrica non è omogenea. L’ossigeno, infatti, è più elettronegativo dell'idrogeno, ovvero ha la tendenza di attrarre a sé gli elettroni. L’idrogeno, invece, cede facilmente il proprio e unico elettrone. Ecco che nelle vicinanze dell’atomo di ossigeno di instaura il polo negativo del dipolo acqueo, mentre vicino ai due idrogeni si instaura il polo positivo. Grazie a questa caratteristica, le molecole di acqua si attraggono reciprocamente per mezzo di legami idrogeno, legami deboli che si instaurano fra l'idrogeno di una molecola d’acqua e l’ossigeno di quella vicina.
L'acqua è formata da due liquidi?
L’acqua in forma liquida occupa all’incirca due terzi della superficie terrestre, due terzi del volume del corpo umano e due terzi del volume di una cellula. Una bella coincidenza, no?
In uno studio pubblicato su Nature nel 1992, alcuni studiosi investigarono il comportamento dell’acqua e ipotizzarono che la fase acquosa fosse, in realtà, composta da due liquidi con la stessa formula chimica ma con due diverse densità. L’idea che l’acqua liquida fosse data dalla coesistenza di due liquidi, uno a più alta densità (High Density Liquid) e uno a più bassa densità (Low Density Liquid), incuriosì il Prof. Nilsson Andres.
Costui dedicò parecchi anni allo studio di questa molecola e cercò di sviluppare una tecnica di misura a raggi X per verificare la loro tesi. Solo nel 2020 lui e il suo team riuscirono a misurare per la prima volta le due strutture dell’acqua liquida, le cui densità si discostano di circa il 20%. Dimostrò dunque che l’acqua a temperatura ambiente è un liquido supercritico, in cui le molecole che lo compongono fluttuano da una forma all’altra – da bassa ad alta densità, e viceversa – in continuazione. Questo passaggio continuo viene anche chiamato transizione liquido-liquido. Come spiega il Prof. Nilsson, la coesistenza di queste due forme liquide causa lo strano comportamento della densità dell’acqua, che raggiunge un massimo a 4°C. Vediamo insieme come.
Perché l’acqua ha un densità massima a 4°C?
Fra i 50°C e i 100°C l'acqua liquida si presenta solo nella sua forma ad alta densità. A causa delle alte temperature, però, la velocità di movimento delle molecole d'acqua è elevata, le molecole tendono a distanziarsi e ad occupare un grande volume. Di conseguenza, proprio a causa dell'agitazione termica che aumenta il volume, la densità globale è ridotta, anche se la struttura dell'acqua è ad alta densità.
Appena al di sotto dei 50°C, alcune molecole cambiano disposizione e struttura, diventando a bassa densità e occupando ancora più spazio. Al tempo stesso, però, la temperatura globale si riduce e dal punto di vista macroscopico questo risulta in una diminuzione del volume globale. A 4°C si raggiunge l’equilibrio fra il numero di molecole a bassa densità e quelle ad alta densità. In questa precisa configurazione il volume raggiunge un minimo e dunque la densità raggiunge il suo massimo. Sotto i 4°C avviene il meccanismo opposto: le molecole a bassa densità prendono il sopravvento e aumentano il volume globale, questa volta per la loro bassa densità e non per effetto dell'agitazione termica. Al raggiungimento degli 0°C, si forma anche il ghiaccio, che mantiene prevalentemente la struttura a bassa densità, responsabile dunque del galleggiamento del ghiaccio.
Lo stesso professore svedese si pone un paio di domande estremamente affascinanti. Queste fluttuazioni di densità nella forma liquida dell’acqua sono forse correlate alla generazione della vita sulla Terra? Forse queste fluttuazioni solo responsabili della comunicazione all'interno di una molecola? È una sua ipotesi che resta da verificare. La ricerca continua!
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