il lavoro - Associazione per l`Insegnamento della Fisica

LICEO SCIENTICO STATALE “G. B. QUADRI”
Via Baden Powell − Vicenza
PREMIO BONACINI 2006
Esperimenti qualitativi, semiquantitativi,
quantitativi sulle proprietà fisiche
dell’acqua
2° Premio
MOTIVAZIONE: Per l’esecuzione, svolta con spirito critico, buon
equilibrio tra partecipazione degli studenti e contributo degli
insegnanti e ottima valenza didattica, su un fenomeno il cui studio
è stato proposto dalla curiosità degli studenti.
Elaborato svolto da: Niccolò Bertotto, Federico Bruni, Enrico Marzotto,
Marco Moro, Mirco Pittaluga, Giorgio Todesco
della classe 1a B indirizzo scientifico tecnologico
referente: Prof. Giuseppe Fera
Relazione sullo svolgimento del lavoro
Appena presa visione del bando, in dicembre, mi sono reso conto che un approfondimento sul
comportamento anomalo dell’acqua si inseriva in modo naturatl all’interno della programmazione
didattica (vedi sotto) della classe 1 BST che quest'anno mi è stata affidata. Constatata la
disponibilità del tecnico del laboratorio di fisica, in gennaio ho ricevuto da lui le prime
comunicazioni sulla fattibilità dell’esperienza descritta nell’elaborato come esperienza 1; quindi ho
presentato alla classe la proposta di concorrere al premio, ho illustrate il tema da studiare, ed ho
raccolto le candidature dei sei studenti piu interessati all’argomento. La discussione svolta con i
ragazzi e il parere del tecnico ci hanno condotto ad eseguire contestualmente le due esperienze
illustrate nell’elaborato durante due ore del giorno 24 gennaio, approfittando del fatto che il resto della
classe era impegnato in altra attività. I sei studenti che hanno eseguito l’attività hanno steso
l’elaborato e a più riprese me lo hanno consegnato e lo hanno modificato seguendo le mie
indicazioni per la correzione, durante tutto il mese di febbraio e di marzo. La stesura definitiva è stata
concordata il 20 marzo durante un incontro di altre due ore, presente anche il tecnico di
laboratorio. L'elaborato è stato presentato alla classe dagli esecutori il 28 marzo e il 1 aprile e
valutato al termine della discussione svolta in classe. Dopo qualche ulteriore correzione eseguita dal
sottoscritto, l’elaborato è state consegnato al Preside per la spedizione il giorno 21 aprile.
II programma della materia Laboratorio di Fisica e Chimica per le classi prime dell’indirizzo
scientifico tecnologico attivo nel Liceo "Quadri" di Vicenza prevede i seguenti argomenti da
sviluppare nel primo quadrimestre:
1) Grandezze e misure
metodo sperimentale - osservazione e misura - concetto di grandezza fisica - unità di misura - unità fondamentali
e derivate - sistema internazionale di misura (SI) - grandezze dimensionali e adimensionali - notazione
scientifica - ordini di grandezza - misure dirette ed indirette - errori casuali e sistematici - valore medio, errore
assoluto ed errore relativo.
2) Proprietà dei corpi
massa, forza, peso - forza elastica - bilancia e sua sensibilità - densità e peso specifico di solidi, liquidi, gas temperatura - scale termometriche centigrada e assoluta - equilibrio termico -dilatazione termica pressione - leggi di Pascal e Stevino - esperienza di Torricelli - principio di Archimede - pressione atmosferica.
La materia viene trattata per cinque ore settimanali di cui due in laboratorio ed una in compresenza con
il docente di matematica. Nelle ore di compresenza con il docente di matematica viene
sviluppato l’uso degli strumenti informatici.
Vicenza, li 21 aprile 2006
prof Giuseppe Fera
IL COMPORTAMENTO ANOMALO DELL’ACQUA
Introduzione
Questo elaborato descrive due esperienze, svolte il giorno 24 gennaio 2006, che riguardano il
comportamento dell’acqua. Abbiamo svolto questa attività per approfondire un quesito posto dal
nostro insegnante di Laboratorio di Fisica e Chimica, e abbiamo approfittato della disponibilità e dei
preziosi suggerimenti del tecnico di Laboratorio di Fisica, sig. Paolo Giacon. Il quesito era: perché il
ghiaccio galleggia sull’acqua, mentre per le altre sostanze accade il contrario, cioè la fase solida è
più densa di quella liquida? In effetti, un modello primitivo dei cambiamenti di stato suggerisce che
all’aumentare della temperatura, e quindi passando dalla fase solida a quella liquida, le distanze
medie tra le molecole aumentino, in quanto cresce l’agitazione termica molecolare, causando un
aumento del volume a parità di massa e quindi una diminuzione della densità. Quindi ci
aspetteremmo che il ghiaccio fosse più denso dell’acqua, mentre così non è. Il nostro insegnante ci
ha spiegato che l’acqua presenta un comportamento anomalo in un intervallo di temperature
comprese tra 0 °C e 4 °C, intervallo in cui la densità aumenta con l’aumentare della temperatura,
ed il tecnico di laboratorio ha suggerito di svolgere un esperimento con il quale potevamo
verificare questa affermazione e ci ha fornito i mezzi per farlo. Nell’esecuzione preliminare
dell’esperienza il tecnico ha evidenziato delle difficoltà legate alla misura della temperatura di una
massa d’acqua che non era in equilibrio termico, in quanto si riscaldava lentamente; il nostro
insegnante ci ha illustrato brevemente i moti convettivi e abbiamo deciso di svolgere
contestualmente alla prima una seconda esperienza usando due sensori per la rilevazione
automatica della temperatura poste nell’acqua a profondità diverse che permettevano di renderci
conto di questi moti.
Foto 1 − il gruppo, eccetto Marzotto che fotografa
Scopo delle prove di laboratorio
Studiare il comportamento della densità dell’acqua nella fase successiva alla fusione, in un
intervallo di valori compresi da 0 °C fino a 8 °C.
La prima esperienza prevede l’utilizzo di strumenti di misura analogici, ed ha lo scopo di analizzare
la variazione del volume, e quindi della densità, dell’acqua quando la temperatura varia
nell’intervallo specificato. La seconda ha lo scopo di evidenziare i moti convettivi all’interno
dell’acqua quando questa aumenta di temperatura nell’intervallo specificato con l’uso di strumenti
di misura digitali.
Quadro teorico 1
Tipicamente i liquidi tendono a dilatarsi al crescere della temperatura, in generale circa 10 volte
più dei solidi, e quindi la loro densità diminuisce crescere della temperatura.
L'acqua, il liquido che possiamo considerare il più comune, in quanto costituisce circa i due terzi
della superficie del nostro pianeta ed il 70% del nostro corpo, non si comporta come gli altri. Tra 0
°C e 4 °C la densità dell'acqua aumenta all'aumentare della temperatura, anche se non in modo
lineare. La densità dell'acqua è massima a 4 °C; a temperature diverse da 4 °C la densità
dell'acqua è minore.
Questo comportamento anomalo è conseguenza della struttura della molecola dell’acqua e delle
interazioni tra le molecole di acqua. Esse formano un legame, detto a ponte di idrogeno, che
mantiene le molecole più distanti fra loro rispetto agli altri tipi di legame: è per questo che il
ghiaccio è meno denso dell'acqua. (In appendice riportiamo un approfondimento teorico sul
comportamento dell’acqua).
Quadro teorico 2
La convezione è uno dei tre modi di condurre il calore. Si verifica quando un fluido (come l'acqua o
l'aria) presenta delle parti a temperature differenti. La parte di fluido con densità minore sale verso
l'alto mentre quella più densa scende verso il basso, generando dei moti detti appunto convettivi.
Questi moti sono riconducibili alla spinta di Archimede esercitata sulla parte di fluido meno denso
dalla parte di fluido più denso.
Strumenti di misura e oggetti
Per la prima esperienza:
•
•
•
•
•
•
•
•
acqua demineralizzata fredda
asta metrica (sensibilità 1 mm; portata 25 cm) con specchio sullo sfondo
termometro (sensibilità 0,2 °C; portata 50 °C)
beuta da 300 ml
capillare di vetro
tappo di gomma con due fori
becher per contenere la beuta in bagno termico
asta di sostegno
Per la seconda esperienza:
•
•
•
acqua demineralizzata fredda
calcolatrice scientifica TI−59 con software Physics 5 del 2003
interfaccia CBL2
•
•
•
•
•
•
due sensori per il rilevamento della temperatura (sensibilità 0,2 °C; portata 150 °C)
cilindro di plastica di diametro 9 cm e altezza 36 cm
tubetto di plastica di sostegno per i sensori
asta di metallo
elastici
morsetti e pinza
Procedimento
Per entrambe le esperienze, il procedimento si sviluppa in tre fasi:
•
•
•
Predisposizione degli strumenti e degli oggetti
Rilevamento dei dati e stesura dei grafici
Osservazioni e conclusioni
Predisposizione degli strumenti e degli oggetti
a) Raffreddare circa 4 litri di acqua demineralizzata fino ad una temperatura di poco superiore a
quella di fusione. Approfittando delle basse temperature del mese di gennaio, questo è stato
ottenuto lasciando all’aperto di notte un secchio (foto 2) con l’acqua demineralizzata. Al
mattino, l’acqua nel secchio era parzialmente ghiacciata. L’acqua prelevata dal secchio è in
equilibrio con il ghiaccio e si trova tutta alla temperatura di fusione.
Foto 2 − il secchio all’aperto
b) Predisporre 2 apparati differenti, uno con strumentazione analogica e uno con
strumentazione digitale, per effettuare le due prove; uno per osservare l’andamento del
volume dell’acqua, l’altro per evidenziare i moti convettivi dell’acqua.
Il contenitore del primo esperimento è costituito da una beuta messa nel becher a bagno in
acqua fredda che rallenta il riscaldamento dell’acqua in essa contenuta (foto 3). Si monta l’asta
metrica sull’asta di sostegno; quindi si inseriscono il capillare e il termometro nei fori del tappo;
poi si riempie la beuta di acqua fredda e la si tappa facendo attenzione a non lasciar bolle d’aria
tra il tappo di gomma e la superficie dell’acqua, perché l’aria, riscaldandosi, cambia di volume in
modo differente dall’acqua. L’acqua all’interno del capillare deve raggiungere una altezza
rilevabile sull’asta metrica. Lo zero dell’asta metrica è qualche centimetro più in alto del tappo
della beuta. Il bulbo del termometro si trova nella parte inferiore della beuta. Riteniamo di poter
trascurare la dilatazione termica del volume della beuta.
Foto 3 − Beuta nel becher
Schema beuta
Il contenitore per la seconda esperienza è costituito da un cilindro (foto 4) di capienza opportuna
al cui interno vengono immersi nell’acqua i due sensori di temperatura, fissati con gli elastici al
tubetto di plastica. Uno viene posta circa 3 cm sotto la superficie dell’acqua ed uno a circa 2 cm
dal fondo del cilindro. Il cilindro non è messo in bagno termico. Il tubetto di plastica è mantenuto
in posizione verticale dall’asta di metallo cui è attaccato mediante morsetti e pinza. Subito dopo
aver versato l’acqua si fa partire l’acquisizione automatica dei dati.
Schema cilindro
Foto 4 − Cilindro
Rilevamento dei dati
Dopo aver riempito la beuta ed il becher con l’acqua demineralizzata prelevata dal secchio iniziano
le misurazioni. Riteniamo che l’acqua prelevata dal secchio si sia un po’ riscaldata travasandola
nella beuta e nel cilindro, poiché la rilevazione delle temperature inizia da 0,8 °C.
Foto 5 − lettura degli strumenti
Esperienza 1
Per valutare l’andamento della densità dell’acqua al variare della temperatura, si rilevano i valori di
temperatura e di altezza del livello dell’acqua nel capillare, andando a leggere rispettivamente il
termometro e la scala graduata, negli istanti riportati in tabella. L’esperienza è durata in tutto
meno di un’ora e mezzo. La massa d’acqua presente nella beuta non è stata misurata poiché è
sufficiente valutare la variazione del volume dell’acqua, esprimendola come variazione del livello
dell’acqua nel capillare. L’impiego del capillare ci ha permesso di rilevare le piccole variazioni di
volume che la massa d’acqua subisce riscaldandosi. La sezione del capillare è costante.
All’inizio del riscaldamento notiamo che il volume dell’acqua diminuisce; raggiunto un minimo dopo
circa 20 minuti in corrispondenza ad una temperatura di 3 °C, il volume riprende ad aumentare. Di
conseguenza la densità dell’acqua cresce col crescere della temperatura da 0,8 a 3 °C e poi
decresce.
Nella tabella 1 sottostante riportiamo le rilevazioni relative alla prima esperienza unitamente agli
errori. L’errore sulle misure di temperatura è stato assunto pari alla sensibilità del termometro
usato, ossia 0,2 °C; l’errore sulle misure dell’altezza h dell’acqua nel capillare è stato assunto pari
alla sensibilità dell’asta metrica, ossia 0,1 cm.
Il grafico 1 è stato ricavato dai dati presenti nella tabella 1. Questo grafico mostra l’andamento del
volume dell’acqua al variare della temperatura misurata dal termometro immerso nella beuta da
0,8 a 8 °C. Nel grafico 1 non compare la scala sull’asse delle ordinate perché ci basta evidenziare
l’andamento del volume.
TABELLA 1
Temperatura (°C)
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
h (cm)
3,5
3,0
2,6
2,2
2,0
1,7
1,5
1,4
1,4
1,3
1,2
1,2
1,2
1,3
1,4
1,6
1,9
2,1
2,5
tempo (s)
0
86
155
264
369
453
534
633
736
846
946
1108
1233
1373
1570
1738
1822
1866
1980
Temperatura (°C)
4,6
4,8
5,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
6,2
6,4
6,6
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
7,8
8,0
h (cm)
4,6
5,6
6,4
7,2
7,9
8,9
9,5
10,8
11,4
12,9
13,3
14,2
15,1
15,8
16,5
17,1
18,1
19,0
tempo (s)
2304
2440
2562
2715
2812
2973
3116
3313
3396
3635
3734
3870
4013
4151
4312
4453
4675
4789
ANDAMENTO DEL VOLUME DELL'ACQUA
0
1
Grafico 1
2
3
4
5
Temperatura (°C)
6
7
8
9
Foto 6 − Il tecnico, sig. Giacon, riempie il cilindro
Esperienza 2
Attraverso i sensori posti all’interno del cilindro, la calcolatrice acquisisce automaticamente la
temperatura ad una distanza di un minuto da una rilevazione all’altra. Lo svolgimento di questa
seconda esperienza è stato quindi contestuale all’altra ed ha avuto praticamente la stessa durata. I
due sensori di temperatura erano posti a diverse profondità nel cilindro graduato, come precisato
prima. Nel seguito ci riferiremo alle temperature rilevate dai sensori chiamandole temperatura
sopra e temperatura sotto.
Nella tabella 2 riportata qui sotto compaiono i dati acquisiti dal sistema automatico. La tabella
mostra che le temperature sopra e sotto inizialmente (ai due sensori occorre un minuto per
portarsi in equilibrio termico con il liquido) sono uguali; mano a mano che l’acqua si riscalda, le
temperature aumentano sia sopra che sotto mantenendosi differenti tranne quando, dopo circa ¾
d’ora, la temperatura vale circa 4 °C sia sopra che sotto.
TABELLA 2
tempo(s)
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
1560
1620
1680
1740
1800
1860
1920
1980
2040
2100
2160
2220
2280
2340
2400
2460
2520
2580
2640
T sotto (°C)
0,406251
0,65625
1,0303
1,15152
1,27273
1,39394
1,63636
1,75758
1,87879
2
2,12121
2,24242
2,36364
2,48485
2,60606
2,60606
2,84848
2,9697
2,9697
3,08824
3,20588
3,20588
3,32353
3,44118
3,44118
3,55882
3,55882
3,67647
3,67647
3,67647
3,67647
3,79412
3,79412
3,79412
3,79412
3,79412
3,79412
3,79412
3,91176
3,91176
3,91176
3,91176
3,91176
3,91176
3,91176
T sopra (°C)
0,781251
0,65625
0,65625
0,65625
0,65625
0,78125
0,78125
0,78125
0,90625
0,90625
1,0303
1,0303
1,15152
1,15152
1,27273
1,39394
1,39394
1,39394
1,51515
1,63636
1,63636
1,63636
1,75758
1,87879
1,87879
2
2,12121
2,12121
2,24242
2,24242
2,36364
2,48485
2,48485
2,60606
2,60606
2,72727
2,72727
2,84848
2,9697
2,9697
3,08824
3,20588
3,55882
3,79412
4,02857
tempo(s)
2700
2760
2820
2880
2940
3000
3060
3120
3180
3240
3300
3360
3420
3480
3540
3600
3660
3720
3780
3840
3900
3960
4020
4080
4140
4200
4260
4320
4380
4440
4500
4560
4620
4680
4740
4800
4860
4920
4980
5040
5100
5160
5220
5280
5340
T sotto (°C)
4,02857
4,02857
4,02857
4,02857
4,14286
4,14286
4,14286
4,14286
4,14286
4,14286
4,14286
4,25714
4,14286
4,25714
4,37143
4,37143
4,37143
4,48571
4,6
4,6
4,6
4,71429
4,71429
4,82857
4,82857
4,94286
4,94286
5,05714
5,05714
5,17143
5,17143
5,17143
5,28571
5,28571
5,4
5,51429
5,51429
5,51429
5,62857
5,62857
5,62857
5,74286
5,74286
5,85714
5,97143
T sopra (°C
4,14286
4,25714
4,37143
4,48571
4,6
4,71429
4,94286
5,05714
5,17143
5,28571
5,28571
5,4
5,51429
5,62857
5,74286
5,85714
5,85714
5,97143
6,08333
6,19444
6,30556
6,30556
6,41667
6,52778
6,52778
6,63889
6,75
6,75
6,86111
6,97222
6,97222
7,08108
7,18919
7,18919
7,2973
7,40541
7,51351
7,51351
7,62162
7,62162
7,72973
7,72973
7,83784
7,94595
7,94595
9
8
Temperatura (°C)
7
6
5
T sotto
T sopra
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
tempo (s)
Grafico 2
La tabella 2 ci ha permesso di stendere il grafico 2 nel quale è rappresentato il variare della
temperatura a diverse profondità all’interno del cilindro graduato in funzione del tempo. In questo
grafico non è stata riportata la misura di temperatura relativa all’istante 0. Non abbiamo ritenuto
necessario riportare sul grafico le barre di errore.
Conclusioni
Dal grafico 1 si deduce che la densità dell’acqua, nell’intervallo di temperature considerato, è
massima ad una temperatura di 3 °C. L’andamento del volume nel grafico 1 rappresenta il
comportamento anomalo dell’acqua, ma il valore ottenuto nella nostra esperienza differisce da
quello accettato dalla comunità scientifica, che è 4 °C, per circa 1 °C, il che ci porta a constatare
che sono stati commessi degli errori. La differenza rispetto al valore atteso è ben maggiore della
sensibilità del termometro usato, che è di 0,2 °C. Essendo certi di aver eseguito le letture della
temperatura con cura, escludiamo di aver commesso errori di lettura. E’ improbabile che l’acqua
non fosse completamente pura, o che i contenitori non fossero del tutto puliti. Riflettendo sul
perché avevamo ottenuto un risultato diverso da quello atteso, abbiamo capito che la temperatura
di un corpo esteso non è necessariamente uguale in ogni punto del corpo, se esso non si trova in
equilibrio termico. La beuta contenente l’acqua, sia pure in bagno termico nel becher, era immersa
in un ambiente, quello del laboratorio, che si trovava ad una temperatura di circa 20 °C e si
riscaldava lentamente. Quindi si stabiliva in essa un campo di temperature variabili da punto a
punto e si svolgevano in essa moti convettivi. La temperatura che abbiamo misurato dunque non è
riferita a tutta la massa d’acqua. Ci siamo chiesti come potevamo affrontare questa difficoltà e
abbiamo deciso di misurare la temperatura in diversi punti. Da qui è nata l’idea di eseguire il
secondo esperimento.
Molto soddisfacente appare l’esame del grafico 2, ottenuto usando i sensori di temperatura. Nella
regione sinistra del grafico, in ogni istante, la temperatura dell’acqua posta sopra nel cilindro è
inferiore alla temperatura dell’acqua posta sotto; cioè l’acqua a temperatura inferiore a 4 °C si
comporta come il ghiaccio, più è fredda e meno è densa, infatti galleggia nel cilindro. Questo
comportamento anomalo si inverte vistosamente a temperature maggiori di 4 °C, nella regione
destra del grafico, dove troviamo, in ogni istante, l’acqua più calda sopra, come accade
normalmente per le sostanze che, quando vengono riscaldate, diminuiscono la densità.
Per capire dal grafico 2 che la temperatura di massima densità è proprio 4 °C, osserviamo che la
retta orizzontale corrispondente ad una temperatura di 2 °C (per esempio) interseca le due curve
in due punti (vedi grafico 3); il punto a sinistra mostra che l’acqua a 2 °C, in un certo istante, si
trova sotto l’acqua a temperatura circa 1 °C, ossia è più densa; il punto a destra ci dice che l’acqua
a 2 °C, in un altro istante, si trova sopra l’acqua a temperatura circa 3,6 °C, ossia è meno densa.
Ripetendo l’osservazione per le temperature minori di 4 °C, troviamo che la densità dell’acqua
aumenta all’aumentare della temperatura, fino a 4 °C; a questa temperatura le due curve si
intersecano; ripetendo l’osservazione per le temperature superiori a 4 °C troviamo che la densità
dell’acqua diminuisce all’aumentare della temperatura; quindi il valore 4 °C corrisponde ad un
massimo della densità dell’acqua.
Grafico 3
Uno degli aspetti sorprendenti di questa attività è stato il constatare che, nell’intervallo di
temperature da 0,8 a 4 °C, l’acqua calda scende, in contrasto con quello che si legge di solito sui
libri a proposito dei moti convettivi.
Questa insolita espansione dell'acqua a basse temperature costituisce un vantaggio importante per
tutte le creature che vivono in ambienti di acqua dolce d'inverno. L'acqua a temperatura maggiore
di 4 °C, raffreddandosi in superficie, aumenta di densità e scende verso il fondo innescando
correnti convettive che raffreddano uniformemente l'intero bacino. Quando la temperatura in
superficie scende sotto i 4 °C questo processo si arresta; l'acqua più fredda rimane in superficie,
dove forma poi, con un ulteriore calo della temperatura, uno strato di ghiaccio, mentre il fondo del
bacino resta a temperature compatibili con la vita acquatica.
Per migliorare l’esecuzione di questa esperienza suggeriamo di raffreddare preliminarmente anche
la beuta ed il cilindro, in modo da far partire la rilevazione della temperatura da un valore più
vicino alla temperatura di fusione dell’acqua. Infine saremmo curiosi di sapere se la temperatura a
cui la densità dell’acqua è massima dipende, come il punto di fusione e di ebollizione, dalla
pressione.
APPENDICE
Il comportamento dell’acqua
La molecola
La molecola dell'acqua è piegata. Composta da un atomo di ossigeno e da due di idrogeno, essa
forma un arco caratteristico, così da descrivere un angolo di 104,5° (Fig. 1a). Questa è la struttura
molecolare dell'acqua, e ogni sua molecola ha questo aspetto: nei fiumi, negli oceani, nella
pioggia, nel nostro sangue e pure nella Coca Cola. Perché proprio 104,5°?
Fig. 1. La molecola dell'acqua è, per così dire, piegata, con i due legami fra ossigeno e
idrogeno aperti a formare un angolo di 104,5° (a). Per comprendere la struttura dell'acqua
liquida, dobbiamo anche prendere in considerazione le due «coppie solitarie» di elettroni
sull'atomo di ossigeno. Gli atomi di idrogeno e le due coppie solitarie di elettroni si trovano
più o meno ai vertici di un tetraedro (b)
Per spiegare questa caratteristica dobbiamo tener conto che nella molecola dell’acqua
compaiono, oltre all’atomo di ossigeno ed ai due atomi di idrogeno, anche due coppie
solitarie di elettroni. Si tratta di elettroni provenienti dall'atomo d'ossigeno e che, sebbene
non prendano parte ai legami fra gli atomi della molecola, da qualche parte devono pur
andare. Essi si accoppiano, come sono soliti fare gli elettroni negli atomi, e prendono
posizione il più lontano possibile l'uno dall'altro e dagli atomi di idrogeno. La sistemazione
ai vertici di un tetraedro permette la massima distanza fra i due atomi di idrogeno e le due
coppie solitarie di elettroni (Fig. 1b). Se si trattasse di un tetraedro perfetto, l'angolo
dovrebbe essere di 109,5°; la differenza esistente tra il valore ideale e i 104,5° reali deriva
dalla repulsione fra le coppie solitarie di elettroni, che è maggiore di quella fra ciascuna di
esse e gli atomi di idrogeno, che pertanto risultano leggermente ravvicinati.
Tabella 3
(dal sito http://www.cdc.gov/)
Punto di fusione e di ebollizione di alcune sostanze a pressione 1 atm
Formula
nome
fusione(°C)
ebolliz. (°C)
H2O
acqua
0
100,0
CH4
metano
−183
−161,5
H2S
acido solfidrico
−86
−60
NH3
ammoniaca
−78
−33,4
HF
acido fluoridrico
−83
19,5
Il ponte a idrogeno
Volendo indovinare il comportamento delle molecole dell'acqua basandoci sul confronto con
altre molecole, apparentemente simili, ci aspetteremmo un punto di ebollizione inferiore a 0
°
C (vedi tabella 3). Il metano CH 4 , una sostanza le cui molecole sono composte da un
atomo di carbonio circondato da un tetraedro di idrogeni, si comporta così. Lo stesso vale
anche per l’acido solfidrico H 2 S, le cui molecole hanno la stessa forma angolare di quelle
dell’acqua. Se giudicassimo una molecola dalle apparenze, gli oceani dovrebbero stare
nell'atmosfera, proprio come accade su Venere.
L'acqua, invece, ha un punto di fusione e un punto di ebollizione abnormemente alti. Questa
osservazione mostra che sono necessarie energie maggiori per portare l’acqua in stati in cui
le molecole sono meno legate. Dunque le sue molecole acquisiscono un'ulteriore coesione
rispetto alle sostanze ad essa analoghe. Intorno al 1930 il chimico americano Linus Pauling
spiegò come la molecola dell'acqua acquisisca questa proprietà. Pauling è il solo scienziato
che abbia vinto due premi Nobel in campi diversi: quello per la chimica, nel 1954, gli venne
dato per il suo contributo nella comprensione dei legami chimici, mentre i suoi sforzi per il
disarmo nucleare gli valsero quello per la pace nel 1963. Pauling si servì della meccanica
quantistica per comprendere le modalità con cui si formano i legami atomici. I risultati delle
sue ricerche furono raccolti in The Nature o f th e Chemical Bond (1939), uno dei saggi
scientifici più importanti del ventesimo secolo.
Pauling dimostrò che il legame chimico che si forma quando gli atomi condividono elettroni
non deriva necessariamente da una loro equa distribuzione. Alcuni atomi, egli sosteneva, si
aggrappano più fortemente di altri agli elettroni di legame. Ad esempio, nella sua ingordigia
di elettroni, l'ossigeno è battuto solo dal fluoro. Così, nella molecola d'acqua, l'ossigeno
s'impossessa degli elettroni allo stesso modo di un amante egoista che tira dalla sua parte
tutta la coperta. A causa di questo comportamento, l'atomo dell'ossigeno acquista una carica
negativa, mentre quelli di idrogeno restano carichi positivamente.
Pauling suggerì che tali cariche nella molecola dell'acqua dessero luogo a una forza di
attrazione elettrica fra molecole vicine, in cui gli atomi di idrogeno di una molecola puntano
verso gli atomi di ossigeno di un'altra. Possiamo considerare questa forza d'attrazione come
un tipo di legame chimico, circa dieci volte più potente delle forze di van der Waals che
tengono insieme i liquidi «normali», ma dieci volte più debole dei legami fra atomi di
idrogeno e ossigeno nelle singole molecole. Questa interazione è chiamata ponte a idrogeno.
In un ponte a idrogeno, l'atomo di idrogeno non si limita ad agganciarsi indiscriminatamente
all'ossigeno di un'altra molecola; essendo carico positivamente, va vicino agli elettroni. Perciò il
ponte a idrogeno è un legame fra un atomo di idrogeno e una coppia solitaria di elettroni.
Questo significa che una molecola di acqua può formare quattro ponti a idrogeno: i due
idrogeni della molecola formano due ponti con atomi di ossigeno vicini, mentre le due coppie
solitarie di elettroni interagiscono, a loro volta, con gli idrogeni di molecole vicine. Possiamo
immaginare una molecola d'acqua come se avesse degli «uncini» per accalappiare altre
molecole a ognuno dei quattro vertici del suo tetraedro.
Il modo migliore per comprendere tutto questo è di provare a impersonare una molecola
d'acqua. Le mani sono gli atomi di idrogeno, le caviglie sono le coppie solitarie di elettroni sull'ossigeno. Divaricare le gambe (fino a formare un angolo di circa 109°, senza forzare). Ruotare
di 90° all'altezza della vita, stendere le braccia: ecco una molecola di H20.
Il modo in cui le molecole di acqua si legano l'una all'altra segue un'unica regola: le mani
possono afferrare le caviglie, ma niente altro. Quella presa è un ponte a idrogeno. (vedi fig. 2).
Fig. 2. Le molecole di acqua - con le mani che rappresentano gli atomi di idrogeno e i piedi che
rappresentano le coppie solitarie di elettroni - eseguono una danza in cui i ballerini si afferrano per le
caviglie. Queste prese, permesse dai ponti a idrogeno, portano a una disposizione tetraedrica degli
elementi confinanti intorno a ogni molecola. Questo è il motivo centrale della struttura dell'acqua, e la
chiave per comprendere tutte le sue caratteristiche anomale.
L'acqua non è la sola molecola che forma ponti a idrogeno. Anche l'ammoniaca NH3 e le molecole
di acido fluoridrico HF possiedono ciò che serve per agganciarne altre: coppie solitarie di elettroni e
atomi di idrogeno privi di elettroni. Anche queste sostanze, pertanto, hanno un punto di fusione e
un punto di ebollizione più alti delle altre (vedi tabella 3).
La densità anomala dell'acqua
Il ponte a idrogeno, quindi, è ciò che differenzia l'acqua dagli altri liquidi. Tuttavia, esso non dà
una spiegazione immediata del perché l'acqua sia così strana: perché sia più densa del ghiaccio,
perché sia essenziale per la vita, perché abbia una così elevata capacità di assorbire calore, e
così via. Non potremmo pensare all'acqua come a un qualsiasi altro liquido, solo stabilizzato da
legami più forti?
Nemmeno per sogno. La struttura dei liquidi semplici non ha molto a che fare con forze di
attrazione fra le molecole, dipendendo piuttosto dai vincoli imposti dalle forze repulsive.
Nell'acqua, le cose non vanno in questo modo: sono le forze di attrazione, i ponti a idrogeno, a
giocare il ruolo principale nel determinare la disposizione delle molecole. Queste forze attrattive
introducono preferenze molto marcate nei confronti della posizione e dell'orientamento di
molecole vicine: ogni atomo di ossigeno si trova al vertice di una rete di legami tetraedrica. Sotto
questo aspetto, l'acqua è molto meno disordinata, assai più strutturata, della maggior parte dei
liquidi. È più simile a un cristallo che a un gas.
Quando il ghiaccio fonde la struttura di questo cristallo cambia. Nel ghiaccio i ponti a idrogeno
legano ogni molecola di acqua in anelli di sei (Fig. 3), ma nell'acqua liquida la più comune
struttura molecolare non contiene sei molecole, ma cinque. E mentre ogni vertice della rete
molecolare del ghiaccio è tetraedrico - punto di confluenza di due braccia e due gambe nell'acqua liquida alcune molecole sono lasciate, per così dire, ciondoloni, come spuntoni rotti di
una struttura deformata. Alcune molecole, poi, sembrano infrangere le regole della danza,
formando cinque ponti a idrogeno invece di quattro, ossia afferrando sfrontatamente due
caviglie in una mano sola.
Fig. 3. La struttura del ghiaccio non è un balletto ma un quadro ordinato. Ogni molecola
d'acqua è legata mediante ponti a idrogeno ad altre quattro, in una disposizione che
presenta una simmetria esagonale. Appare evidenziato in grigio uno degli anelli esagonali.
Oggi sappiamo che le molecole dell'acqua liquida a temperatura vicina a 0 °C formano una rete
continua, disordinata e dinamica di ponti a idrogeno nella quale ogni molecola si lega con un
massimo di quattro (o, molto raramente, cinque) altre. Poiché la rete di ponti a idrogeno dell'acqua liquida è più lasca e soggetta a deformazioni e difetti rispetto a quella del ghiaccio, le
molecole riescono a occuparvi alcuni di quelli che, nel ghiaccio, erano spazi interstiziali. Ciò
spiega la maggior densità del liquido in confronto al solido. I difetti aumentano man mano che
la temperatura si eleva, sicché la densità del liquido aumenta fino a raggiungere un
massimo a 4 ° C. Al di sopra di questa temperatura, il numero di ponti a idrogeno che si è
rotto è sufficiente a far sì che il liquido incominci a comportarsi normalmente (o, almeno,
più normalmente), diventando via via meno denso all'aumentare della temperatura, poiché
l’agitazione termica allontana le molecole.
Questa, dunque, è l'immagine su scala molecolare che ci siamo attualmente costruiti di quella
strana sostanza chiamata acqua: un liquido con un elevato grado di struttura interna, indotta
da una capacità di coesione che può legare le molecole in un labirinto dinamico e in continuo
cambiamento. La singolarità dell'acqua risiede quasi interamente nei suoi ponti a idrogeno.
Sebbene essa non sia la sola molecola in grado di formare questi legami, è anche vero che
nessun'altra molecola ha la forma giusta per permettere alla rete che ne deriva di estendersi
ad ampio raggio nello spazio. I ponti a idrogeno impongono vincoli strutturali estremamente
insoliti per un liquido, e questi a loro volta determinano proprietà fisiche come la densità, la
capacità termica, la conduzione del calore, la relativamente alta temperatura di ebollizione,
come pure il modo in cui l'acqua accoglie al proprio interno le molecole dei soluti.
BIBLIOGRAFIA
H2O una biografia dell’acqua, P. Ball, Rizzoli, 2000