Le anomalie dell’acqua (versione in italiano)

L’acqua è una sostanza straordinaria e mostra comportamenti anormali sotto molti punti di vista. Nel 2003 Martin Chaplin ha creato un sito che aggiorna costantemente dove descrive più di 70 comportamenti anomali dell’acqua suddividendoli in fase, densità, materiale, termodinamica, anomalie fisiche(1).

Le piccole dimensioni della molecola d’acqua, la sua leggerezza, l’elevata differenza di elettronegatività dei suoi atomi costituenti e l’angolo asimmetrico tra l’atomo di ossigeno e i due atomi di idrogeno spiegano quasi tutto il comportamento anomalo dell’acqua. L’apparente semplicità della molecola d’acqua non sembra giustificare l’incredibile capacità di favorire strutture e interazioni a un livello molto più articolato di organizzazione della materia molecolare.

La molecola d’acqua è composta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. La distanza tra ciascun atomo di idrogeno e l’atomo di ossigeno è in media 0.9585 Ängström e i due atomi di idrogeno formano con l’atomo di ossigeno un angolo medio di 104,45 °. Parlo di valori medi perché nella molecola in realtà ci sono vari tipi di oscillazioni (allontanamento / avvicinamento degli atomi di idrogeno da/a quello di ossigeno, variazione dell’angolo tra l’atomo di ossigeno e i due di idrogeno, torsioni nelle tre direzioni dello spazio) che ci danno angoli e distanze in continua evoluzione. Per meglio inquadrare il problema, il diametro medio dell’atomo di ossigeno è di circa 1,2 Ängström e quello dell’idrogeno è di circa 1,06 Ängström (1 Ängström equivale a un decimilionesimo di millimetro o anche a un decimillesimo di micron).

Gli atomi che costituiscono la molecola d’acqua raggruppano due coppie di elettroni per formare una molecola di dipolo (questo perché l’attrazione esercitata dall’ossigeno è maggiore di quella esercitata dall’idrogeno). Questa dipolarità rende l’ossigeno elettronegativo e l’idrogeno elettropositivo e ciò consente l’esistenza di un legame covalente ad un angolo stabile (asimmetrico e oscillante attorno a 104,45 °). Inoltre questa dipolarità rende possibile il legame (chiamato legame “ponte idrogeno”) tra gli atomi di idrogeno di una molecola e gli atomi di ossigeno delle molecole adiacenti. Essendo un dipolo di dimensioni abbastanza grandi, la molecola d’acqua può essere influenzata da campi elettromagnetici esterni e molte anomalie dell’acqua sono attribuibili a queste caratteristiche, specialmente ai legami idrogeno che si formano e distruggono continuamente.

Sarebbe troppo lungo descrivere dettagliatamente uno per uno ogni singolo comportamento anomalo dell’acqua e spiegare le ragioni chimiche e fisiche di questo comportamento, per cui in questa sede accenniamo solo ad alcuni comportamenti anomali rimandando al lavoro di Martin Chaplin per ulteriori approfondimenti.

L’acqua ha proprietà idratanti uniche verso importanti macromolecole biologiche (in particolare proteine ​​e acidi nucleici) che determinano in soluzione le loro strutture tridimensionali e quindi le loro funzioni biologiche. Questa idratazione forma gel che possono subire reversibilmente le transizioni di fase gel-sol che sono alla base di molti meccanismi cellulari.

Sostanze come idrocarburi e grassi, essendo non polari, sono poco solubili o totalmente insolubili (sostanze idrofobiche) mentre altre (proteine, polisaccaridi, DNA indispensabili per il funzionamento cellulare) sono invece molto solubili (idrofile).

L’elevata velocità di rottura / ricostituzione continua dei legami idrogeno rende l’acqua meno viscosa.

L’alta costante dielettrica consente all’acqua di interagire facilmente con i campi elettromagnetici e di solubilizzare facilmente composti ionici o molto polari.

A causa delle sue piccole dimensioni che consentono alle molecole d’acqua di entrare tra uno ione e un altro o tra una molecola e l’altra, l’acqua è uno dei migliori solventi. Per fare solo un esempio, la costante reticolare di un cristallo di cloruro di sodio è pari a 0,564 nanometri (cinque decimilionesimi di un metro = cinque decimillesimi di micron); questo significa che la molecola d’acqua essendo cinque volte più piccola, può facilmente entrare nel reticolo cristallino del cloruro di sodio. Inoltre, a seconda della polarità degli ioni coinvolti, è in grado di interagire elettrostaticamente (o di formare legami idrogeno) generando forze che rompono la struttura cristallina (nel lessico chimico questo “assedio” degli ioni soluto da parte delle molecole d’acqua è chiamato solvatazione).

L’acqua è permanentemente presente sulla terra sia allo stato liquido, sia allo stato solido, sia allo stato gassoso (rendendo così possibile la vita sulla Terra così come la conosciamo).

È inodore, incolore e trasparente (quindi consente la fotosintesi delle piante acquatiche).

Il calore specifico dell’acqua è veramente molto alto (solo l’idrogeno, l’elio e poche altre sostanze hanno un calore specifico così elevato; ciò è dovuto al fatto che l’energia fornita alle molecole d’acqua quando viene riscaldata, oltre ad aumentare l’agitazione delle molecole, serve anche a rompere i legami a idrogeno (a partire dalla temperatura di liquefazione, quando la temperatura sale, i legami idrogeno iniziano a rompersi e si riducono man mano che la temperatura aumenta fino a scomparire totalmente quando l’evaporazione è completa). Questa caratteristica è molto utile per garantire una termoregolazione ottimale degli esseri viventi; inoltre sempre grazie a questa proprietà, la grande quantità di acqua presente nella superficie terrestre consente una buona termoregolazione climatica della terra.

Il calore latente di vaporizzazione dell’acqua è molto elevato a causa del fatto che, una volta raggiunta la temperatura di evaporazione, il 75% dei legami idrogeno è ancora presente; per gli stessi motivi, anche il calore latente di fusione è molto alto. Queste peculiarità sono importantissime per il clima sulla terra; infatti l’acqua grazie a questo alto calore latente può termoregolare le fluttuazioni di temperatura attenuandole.

Il ghiaccio è meno denso del 9% rispetto all’acqua ed è un ottimo isolante; grazie a queste proprietà il galleggiamento del ghiaccio nell’acqua consente la vita anche nelle zone polari della terra.

La molecola d’acqua è così piccola e così leggera che a conti fatti dovrebbe evaporare a -80°C e invece sulla terra, a seconda della pressione atmosferica, evapora tra 68°C e 100°C; per le stesse ragioni dovrebbe congelare -100°C e invece solidifica a 0°C; stranamente raggiunge la massima densità e il massimo grado di agitazione a 3,98 °C(2).

Torino, 31 luglio 2018

Gianfranco Pellegrini

Note

(1) http://www1.lsbu.ac.uk/water/water_anomalies.html

(2)   Per maggiori informazioni si veda: Viktor Schauber – Anomalous point and state of indifference.

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