L'acqua ha un comportamento della densità anomalo: questo valore infatti invece che diminuire, aumenta fra gli 0 °C e i 4 °C. Questo implica che, come tutti sanno, a 0 °C il ghiaccio galleggi sull'acqua. Ma scopriamo insieme perché!
Alcune nozioni base
Dobbiamo innanzitutto definire cosa sia la densità assoluta di materia, per un oggetto omogeneo. Questa è una grandezza fisica data dal rapporto tra massa e volume occupato da una certa sostanza e dipende dalle condizioni di temperatura e pressione perché influiscono sul volume occupato.
Solitamente aumentando la temperatura avviene il processo di dilatazione, ovvero il volume aumenta, e, di conseguenza, la densità diminuisce. La densità assoluta si misura in chilogrammi per metro cubo (kg/m3) o grammi per centimetro cubo (g/cm3). L'acqua però è anomala, perché la sua densità aumenta da 0 °C fino a 4 °C, quando raggiunge il valore massimo di 1000 kg/m3 o, equivalentemente, di 1 g/cm3.
Per paragonare diversi valori di densità, si è introdotto anche il concetto di densità relativa, data dal rapporto fra la densità assoluta del materiale che vogliamo considerare e quella di un materiale considerato come standard – cioè l'acqua a 4 °C. Il diamante ha una densità relativa di 3,5, questo significa che a parità di volume ha una massa più elevata dell'acqua.
Perché il ghiaccio galleggia
A 0 °C, il ghiaccio ha una densità assoluta di 0,917 g/cm3 mentre l'acqua liquida è attorno a 0,9998 g/cm3. Poiché il ghiaccio è meno denso, tende ad andare verso l'alto e galleggia parzialmente. Ma perché il ghiaccio è meno denso? Questo fenomeno è dovuto alla disposizione delle molecole che sono più distanziate.
L'acqua è formata da un atomo di ossigeno a cui sono legati due atomi di idrogeno, con un angolo di 104.45°. Grazie a questa caratteristica, ogni atomo di idrogeno tende a legarsi anche con l'ossigeno di una molecola adiacente, formando un legame idrogeno. Questo legame distanzia le molecole e ne definisce la struttura. Durante il processo di solidificazione ciascun atomo di ossigeno accetta al massimo quattro legami idrogeno, generando una struttura esagonale con spazi vuoti maggiori rispetto alla fase liquida e, dunque, una densità inferiore.
Ma perché il ghiaccio galleggia? Il galleggiamento è spiegato dal principio di Archimede, secondo il quale un oggetto immerso in un fluido galleggia se la sua densità è inferiore a quella del fluido, affonda se ha densità superiore, mentre fluttua se le due densità sono uguali. Se il ghiaccio non galleggiasse, la vita marina non ci sarebbe! Il ghiaccio, infatti, rimanendo in superficie impedisce il congelamento dell'intera acqua e funge da isolante che protegge gli organismi viventi in profondità. Ma perché il ghiaccio emerge solo parzialmente? La parte del ghiaccio che non emerge corrisponde al rapporto delle densità. Ciò è dovuto all'equilibrio delle forze in gioco, fra ghiaccio e acqua liquida. Di conseguenza, nel nostro caso soltanto il 10% emerge mentre il 90% rimane sommerso.
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