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2 Gennaio 2025
7:30

Il ghiaccio che affonda: un fenomeno legato alla densità dell’acqua pesante

L'acqua pesante (D₂O), contenente deuterio al posto dell'idrogeno, forma un ghiaccio più denso dell'acqua liquida e quindi affonda. È utilizzata in ricerca scientifica come solvente per NMR, nello scattering neutronico e nello sviluppo di farmaci.

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Il ghiaccio che affonda: un fenomeno legato alla densità dell’acqua pesante
acqua deuterata pesante affonda

Lo sappiamo tutti: il ghiaccio galleggia sull'acqua. Questo accade perché la densità del ghiaccio è minore dell'acqua liquida. Esiste però una forma di ghiaccio che, al contrario, affonda nell'acqua: questa tipologia di ghiaccio è formata acqua deuterata, chiamata anche acqua pesante, che invece ha una densità maggiore dell'acqua normale. Vediamo da cos'è formato questo particolare tipo di ghiaccio e perché, a differenza del ghiaccio normale, affonda.

Cos’è l’acqua pesante che fa affondare il ghiaccio

L'acqua pesante è una forma di acqua che contiene atomi di deuterio (D o 2H) al posto del normale idrogeno (H). Il deuterio è un isotopo dell'idrogeno, ovvero un atomo che ha un neutrone in più rispetto all'idrogeno. Questo fa sì che le molecole di acqua pesante (D2O) abbiano una massa maggiore rispetto all'acqua normale (H₂O).

struttura molecolare dell'acqua pesante (D2O)
Struttura molecolare dell’acqua pesante.

Quando il ghiaccio affonda e cosa c’entra l’acqua pesante

Ora, in condizioni normali, il ghiaccio normale galleggia perché ha una densità minore di quella dell'acqua. Nello specifico, la densità del ghiaccio normale si aggira attorno agli 0,917 g/cm3, mentre l'acqua è di circa 1 g/cm3 (sarebbe da considerare anche la dipendenza con la temperatura, ma il valore non si discosta molto).

Dal punto di vista molecolare, la minor densità del ghiaccio arriva dal fatto che i legami a ponte idrogeno tra le molecole di HO fanno sì che le molecole di acqua si organizzino in una struttura cristallina che occupa più spazio rispetto alla disposizione disordinata delle molecole in fase liquida. Questo quindi rende il ghiaccio normale meno denso e gli permette di galleggiare sull'acqua.

Se invece l'acqua è costituita da acqua pesante o acqua deuterata, la situazione cambia. Le molecole di acqua pesante formano un cristallo di ghiaccio più "pesante" rispetto al ghiaccio d'acqua normale. La densità del ghiaccio di acqua pesante infatti è maggiore di quella dell'acqua liquida. Stiamo parlando di una densità di 1,105 g/cm3.  Quindi, contrariamente a quanto accade con il ghiaccio normale, il ghiaccio di D2O affonda.

A cosa serve l'acqua pesante

In natura il ghiaccio pesante praticamente non esiste. Questo perché l'acqua deuterata è molto meno abbondante rispetto all'acqua normale e in più è sempre mescolata con l'acqua normale. Quindi non esiste acqua deuterata pura in natura. C'è da dire però che in ambienti controllati, come nei laboratori scientifici, è possibile trovarla. Grazie a tecniche di separazione particolari si può ottenere un liquido formato praticamente solo da D2O, chiamato appunto acqua deuterata.

L'acqua poi può trovare diverse applicazioni pratiche, come ad esempio:

  1. Solvente per effettuare spettri NMR (risonanza magnetica nucleare);
  2. Utile nelle tecniche di scattering neutronico, in particolare nel small-angle neutron scattering (SANS);
  3. Usata in ricerca per migliorare l'efficacia e la sicurezza dei farmaci.
Sono un appassionato del mondo microscopico, a partire dalle molecole fino agli artropodi. La laurea magistrale in chimica mi ha permesso di avere gli strumenti necessari per comprendere il funzionamento del mondo, ma soprattutto ha saziato la mia fame di risposte. Curioso, creativo e con idee folli: date una videocamera, un drone o una chitarra al DeNa e lo renderete felice.
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