La densità dell’acqua: un caso particolare.

Ogni sostanza, dal punto di vista fisico, è caratterizzata da un proprio diagramma di fase, un grafico, pressione (P) in funzione della temperatura (T), che evidenzia per quella sostanza le sue zone di esistenza nelle tre diverse fasi possibili in natura: solida, liquida e gassosa.
I diagrammi di fase sono tracciati disegnando la curva della tensione di vapore del solido in funzione della temperatura, quindi della pressione esercitata dal vapore della sostanza sulla stessa alla fase solida, della temperatura di fusione del solido in funzione della pressione, quindi della temperatura alla quale un solido passa allo stato liquido, e della tensione di vapore del liquido in funzione della temperatura, quindi della pressione esercitata dal vapore della sostanza sulla stessa, alla fase liquida. Tracciando queste curve si individuano le tre zone di esistenza che corrispondono agli stadi di aggregazione solido (S), liquido (L) e gassoso (G). Per ogni sostanza, presa una coppia di valori T e P, è possibile dunque conoscere lo stadio di aggregazione in cui si trova.

Schematizzazione di un tipico diagramma di fase

 

Il diagramma di fase dell’acqua

A differenza della maggior parte delle sostanze, il diagramma di fase dell’acqua presenta una caratteristica: la pendenza della curva di fusione è negativa, ossia è inclinata con una pendenza che da sinistra scende verso destra. Ciò è conseguenza di un’ importante proprietà: quando congela, l’acqua aumenta il proprio volume, al contrario di quasi tutte le sostanze liquide che congelando diminuiscono in volume, si contraggono.

Schematizzazione del diagramma di fase dell’acqua. In giallo è evidenziata la curva delle temperature di fusione del ghiaccio, caratterizzata dalla pendenza negativa.

Le molecole di acqua (H20) allo stadio solido, cioè nel ghiaccio, sono meno mobili rispetto allo stadio liquido. Dal punto di vista chimico è possibile studiare come nel reticolo cristallino del ghiaccio i legami idrogeno dell’acqua si dispongono in modo da massimizzare lo spazio circostante, tendono cioè a lasciare spazi vuoti. Pertanto in un volume di ghiaccio ci saranno meno molecole di acqua rispetto allo stesso volume di acqua liquida, stadio in cui le molecole possono scorrere anche le une sulle altre.  Ecco spiegata la ragione per cui la densità del ghiaccio è minore della densità dell’acqua, e perché quindi il ghiaccio galleggia sopra l’acqua. In modo particolare la densità massima dell’acqua alla pressione atmosferica è a circa 4°C.

Illustrazione di molecole di acqua rispettivamente allo stato liquido (a sinistra), allo stato solido (a destra).

Quali sono i principali effetti di questa proprietà?

La dilatazione dell’acqua, quando essa gela, ha importanti implicazioni in geologia. Quando l’acqua penetra tra le fessure di una collina rocciosa e quando la temperatura scende al di sotto di quella di solidificazione, l’acqua gela e a causa della minore densità del ghiaccio si espande: in questo modo si infiltra e frammenta le rocce nel processo noto come frost wedging. Le ripetute dilatazioni e contrazioni dell’acqua, che si gela e si scioglie, causano nel tempo la rottura e la deformazione del terreno.

Illustrazioni del fenomeno del frost wedging.

La dilatazione del ghiaccio può avere effetti devastanti anche sui sistemi viventi. Se ad esempio le cellule del sangue di un organismo gelassero, la dilatazione che ne conseguirebbe potrebbe romperle. Inoltre il fatto che la densità del ghiaccio è minore di quella dell’acqua è fondamentale poiché permette la vita degli organismi e dei pesci all’interno di tutti i bacini idrici, quando si ghiacciano. Il ghiaccio essendo meno denso dell’acqua rimane in superficie, mentre l’acqua, naturalmente più calda ma più densa, scende verso il basso. In questo modo l’acqua sotto lo strato di ghiaccio non congela e permette una temperatura adeguata per la vita dei pesci.

 

Ogni cosa che ci circonda nasconde dietro di sé un’ infinità di segreti che possono essere svelati. Bere l’acqua è un gesto quotidiano, o almeno lo dovrebbe essere per tutti. Bere l’ acqua in un modo diverso significa voler capire il mondo in cui viviamo, dare ad ogni azione il proprio valore, non lasciarci sopraffare dalla scontatezza delle cose, in modo da dissetarci dalla vera sete.

Daniel Ghirardi

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Daniel Ghirardi
Metodico, da sempre attento ai più piccoli dettagli. Assetato di conoscenza, a partire da quella a tutto tondo di me stesso. Europeista. "Ogni interesse per la malattia e la morte è solo un'altra espressione dell'interesse per la vita". - Thomas Mann

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