La fisica dell'acqua

Il 22 marzo, esattamente un mese prima della più celebre Giornata Mondiale della Terra che cade il 22 aprile, viene celebrata la Giornata Mondiale dell'Acqua. Proposta alla Conferenza delle Nazioni Unite sull'Ambiente e lo Sviluppo di Rio de Janeiro, è stata istituita nel 1993 e da allora viene ricordata per promuovere e coordinare le iniziative per la protezione e la conservazione delle acque del nostro pianeta: quest'anno il tema della giornata è “Accelerare il cambiamento”.

Ma siamo così abituati a sapere che l'acqua è un elemento così prezioso e importante per la vita sulla Terra, che a volte dimentichiamo la fisica molecolare alla base delle caratteristiche che la rendono così speciale.

Che la molecola dell'acqua sia formata da un atomo di ossigeno e due idrogeno lo sappiamo fin dalle scuole primarie: anche a causa della sua semplicità, H₂O è certamente la prima formula chimica che impariamo, e sicuramente la più conosciuta.

Ognuno degli atomi di idrogeno è unito all'atomo di ossigeno centrale grazie a quello che viene chiamato legame covalente: un legame chimico che comporta la condivisione di elettroni tra gli atomi coinvolti. Ciascuno degli atomi di idrogeno “mette in comune” nella molecola il suo unico elettrone, mentre l'atomo di ossigeno ne mette in comune due, uno per ogni atomo di idrogeno. Grazie a questa “condivisione” ogni atomo di idrogeno si ritrova quindi circondato da due elettroni esterni (uno proprio e uno “in prestito condiviso” dall'atomo di ossigeno), mentre l'atomo di ossigeno si ritrova circondato da 8 elettroni esterni (6 propri e 2 “in prestito” dagli atomi di idrogeno). Questo permette a tutti gli atomi di raggiungere un struttura elettronica equivalente a un guscio elettronico completo, corrispondente alla configurazione più stabile possibile.

Tutto questo discorso può sembrare estremamente astratto, ma le sue conseguenze pratiche sono enormi.

Ogni polo positivo della molecola (rappresentato da uno degli atomi di idrogeno) viene attirato da un polo negativo di un'altra molecola d'acqua (ossia una delle coppie solitarie), e viceversa. Ogni molecola d'acqua può quindi interagire con altre quattro: un’interazione che non è proprio un legame molecolare, ma è più di una semplice forza intermolecolare, che prende il nome di legame a idrogeno.

Quando si trovano vicine, le molecole d'acqua formano quindi un “reticolo”, flessibile ma significativa, tra di loro. Questo fenomeno spiega le caratteristiche così particolari che contraddistinguono l'acqua come sostanza: il suo elevato punto di fusione ed ebollizione, molto più alto di sostanze chimicamente simili, perché è necessario rompere i legami a idrogeno per separare e allontanare le sue molecole; la sua elevata capacità termica, ossia il fatto che è necessario fornire una grande quantità di calore per far innalzare la sua temperatura; il fatto che la sua densità di abbassi durante il processo di congelamento, formando strutture con simmetria esagonale, con la conseguenza che il ghiaccio galleggi sull'acqua liquida, con tutte le sue implicazioni sulla biosfera; la tensione superficiale, che permette all'acqua di creare una forza di superficie che intrappola le sue stesse molecole formando gocce e bolle, ; la formazione di clatrati idrati, “gabbie” formate da molecole d'acqua che circondano ioni o macromolecole, un fenomeno fondamentale per i processi biologici; e infine, la sua elevata attitudine come solvente, capace di complessare sia sostanze organiche che inorganiche.

È quindi estremamente affascinante pensare come qualcosa di così semplice come la forma di una molecola relativamente piccola possa avere conseguenze così importanti su tutto il nostro mondo e sulla preziosa e delicata catena della vita sul nostro pianeta.

• Riferimenti a riti di purificazione: capacità dell'acqua di sciogliere diverse sostanze grazie alla polarità della sua molecola;


• Riferimenti alla presenza di ghiaccio sulla superficie dell'acqua: diminuzione della densità dell'acqua durante il processo di congelamento;


• Riferimenti all'acqua come fonte di vita: importanza dell'acqua nei processi biologici;


• eccetera..