H2O: la mirabolante molecola dell’acqua

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H2O: la mirabolante molecola dell’acqua

Il mese di agosto è sinonimo di caldo, afa e grandi sudate. E come potremmo affrontare meglio questo periodo se non parlando di… acqua! Sì, ma lo facciamo alla solita maniera di noi Pessimi Elementi: con la scienza!

L’acqua è un composto dalle straordinarie proprietà chimico-fisiche. Indispensabile per lo sviluppo e il sostentamento di ogni forma di vita, si tratta di una molecola piuttosto rara nell’Universo… oppure no? Vi proponiamo 7 rinfrescanti curiosità scientifiche per superare brillantemente il mese più insopportabile dell’anno, termodinamicamente parlando.

1. Come è fatta una molecola di acqua?

Probabilmente è dalle elementari che vi ripetono lo stesso mantra: un atomo di ossigeno e due di idrogeno! Sì, ma come sono disposti nello spazio, di preciso? La risposta ci viene prontamente fornita dalla meccanica quantistica. Un atomo di ossigeno possiede in totale 8 elettroni che ronzano attorno al nucleo, all’interno di regioni denominate “orbitali”. Si tratta delle regioni in cui è più probabile localizzare i nostri amici subatomici. Due degli otto elettroni sono placidamente collocati nell’orbitale S, il più profondo e di forma sferica. Gli altri 6 occupano 4 orbitali ibridi, caratterizzati da una forma a goccia, con un piccolo lobo sferico: sono formati dalla fusione di un orbitale S e un orbitale di tipo P. Questo accade nella molecola di acqua poiché gli elettroni tendono a formare una configurazione più stabile rispetto all’occupare un ulteriore orbitale S e poi altri due orbitali P, che avrebbero un energia maggiore.

Inoltre, gli elettroni si dispongono a coppie: chiaramente, dei 6 elettroni solo 4 saranno appaiati, e formeranno due cosiddette coppia solitarie; gli altri 2 resteranno spaiati. Eppure sono proprio questi due quelli che ci interessano di più, proprio perché possono formare una coppia unendosi all’elettrone solitario dell’atomo di idrogeno! Questo è ciò che in chimica si chiama “legame covalente”. La geometria risultante è quella di un tetraedro, ovvero un solido regolare formato da 4 triangoli equilateri; in realtà, a causa della repulsione elettrostatica che si manifesta tra le coppie solitarie, l’angolo compreso tra gli atomi di idrogeno è minore rispetto ad un tetraedro regolare, avendo una misura di 104,45°.

 

2. Perché il nostro corpo suda?

Per smaltire il calore in eccesso! Una delle formidabili proprietà dell’acqua è di possedere un calore latente mostruosamente elevato: ciò significa che per farla evaporare occorre fornire molta energia sotto forma di calore. Proprio per questo motivo, quando sudiamo, il nostro calore corporeo viene ceduto all’acqua, che evaporando contribuisce a raffreddarci (Che sia meglio un bel tuffo in piscina?). Inoltre, nel sudore l’organismo smaltisce alcune sostanze di scarto, nonché molti sali minerali: per questo è bene mantenersi idratati ma anche assumere sostanze e alimenti che ci consentano di recuperare i sali perduti; essi sono indispensabili al corretto equilibrio salino del nostro corpo.

3. Come fanno gli insetti a camminare sull’acqua?

La molecola di acqua è speciale sotto tanti punti di vista. Uno di questi è la sua geometria in concomitanza di una proprietà detta polarità. L’atomo di ossigeno è particolarmente avaro: poiché il suo nucleo possiede più protoni dell’atomo di idrogeno (solo uno), esso tende ad attirare con più vigore gli elettroni di legame. Risulta così che questi poveri elettroni si ritrovano costantemente spostati verso l’ossigeno, che assume un debole eccesso di carica negativa. Di pari modo, gli atomi di idrogeno si caricano positivamente, di poco. Quello che si viene a creare è un dipolo elettrico: la molecola d’acqua non è perfettamente neutra, ma si comporta come una sorta di calamita, che tende ad interagire con le altre molecole di acqua tutto attorno.

Ed è proprio qui che accade la magia: gli atomi di ossigeno sono debolmente attratti dagli atomi di idrogeno delle molecole circostanti, e viceversa. Questa debole interazione di tipo elettrostatica tra i dipoli viene chiamata “legame a ponte-idrogeno”, e spiega moltissime altre proprietà dell’acqua, come l’adesione e la coesione.

All’interfaccia tra l’acqua e il suo contenitore, e sulla superficie, si manifesta una forza che prende il nome di “tensione superficiale”. Un oggetto estremamente leggero come un ago, oppure un insettino possono posarsi sulla sua superficie senza affondare proprio grazie a questa sorta di forza appiccicosa dovuta proprio alla natura del legame idrogeno che si manifesta tra le molecole d’acqua. In particolare, questo accade perché una molecola completamente circondata da altre molecole viene attratta in misura uguale in tutte le direzioni, mentre se ci troviamo sulla superficie si viene a determinare una direzione preferenziale (verso il basso) in cui la molecola viene attratta.

4. Perché l’acqua è l’origine della vita?

Dal punto di vista chimico, l’acqua è un solvente formidabile. Ciò significa che è in grado di disciogliere al suo interno una gran varietà di sostanze, che possono poi essere trasportate a seconda della situazione. Circa 4 miliardi di anni fa il pianeta Terra iniziò a raffreddarsi dopo un periodo di intenso bombardamento meteoritico e immani eruzioni vulcaniche. Per una serie di fortunate coincidenze, la Terra si trova ad una distanza dal Sole che la colloca perfettamente all’interno della cosiddetta “zona abitabile”: ciò influisce direttamente sulla temperatura superficiale. Mezzo miliardo di anni dopo la formazione del nostro pianeta, quando il raffreddamento permise l’esistenza dell’acqua allo stato liquido in modo stabile sulla crosta terrestre, si formò l’oceano primordiale.

All’interno di questa zuppa carica di composti chimici e costantemente solcata da fulmini, accadde un fenomeno straordinario: il carbonio, a partire da composti inorganici, iniziò a formare i primi composti organici, come gli amminoacidi. E se provaste a chiedere ad un qualsiasi biologo cosa siano gli amminoacidi, vi risponderà che queste multiformi molecole si possono tranquillamente considerare come i mattoni fondamentali… della vita.

Prendete dell’acqua pura, fatela bollire in un’atmosfera di ammoniaca, anidride carbonica, idrogeno e metano, in assenza di ossigeno. Fate circolare il vapore in un tubo chiuso, per evitare contaminazioni esterne. Sottoponetelo a continue scariche elettriche, fatelo condensare e ripetete il ciclo da capo, più e più volte. Negli anni ’50 i chimici Miller e Urey, utilizzando un simile apparato sperimentale simularono l’atmosfera della Terra primordiale, ottenendo tutta una serie di composti organici, tra cui proprio gli amminoacidi, partendo da molecole inorganiche.

Questo dimostra che sostanze “inerti”, interagendo in presenza di acqua e nelle giuste condizioni chimico-fisiche, possono dare origine ai mattoni precursori di qualsiasi forma di vita. I primi organismi viventi, infatti, si svilupparono nell’acqua, e solo dopo milioni di anni di evoluzione comparvero creature sufficientemente complesse che furono in grado di compiere i primi passi sulla terraferma. Il resto è storia (evolutiva).

5. Perché il ghiaccio galleggia?

Quando sparpagliate i vostri vestiti per la stanza, questi occupano uno spazio decisamente maggiore rispetto alle ordinate pile di biancheria stirata e piegata che preparerebbe vostra madre. Questo semplice esempio illustra un semplice concetto generalmente valido quando si parla di molecole e atomi: le strutture ordinate occupano meno spazio degli stati più caotici.

L’acqua questo non lo sa e fa quello che vuole: quando passa dallo stato liquido (caotico) a quello solido (ordinato), le molecole di acqua tendono a disporsi secondo una struttura cristallina ordinata che occupa un volume maggiore rispetto a quello che occuperebbe la stessa quantità di sostanza allo stato liquido. E’ uno dei pochi composti chimici noti a comportarsi in questo modo.

Per questo motivo, quando l’acqua congela, il ghiaccio occupa un volume maggiore e possiede una densità inferiore. A questo punto, arriviamo ad un altro mantra che abbiamo imparato (si spera) alle scuole elementari: un corpo immerso in acqua riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del volume di liquido spostato. Il altre parole, il Principio di Archimede. E se questo corpo possiede una densità inferiore rispetto al liquido in cui è immerso, la forza di Archimede è sufficiente per farlo galleggiare!

Ecco perché i cubetti di ghiaccio nella vostra bibita stanno a galla: essendo meno densi dell’acqua stessa, galleggiano. Un’ultima curiosità sul ghiaccio: pensate che ne esistono ben 14 tipi diversi, oltre al normale ghiaccio a cui siamo abituati in condizioni normali, ciascuno classificato con un numero romano! Questi stati si differenziano per la diversa disposizione delle molecole di acqua nel formare le varie forme cristalline, che si creano a temperature e pressioni molto diverse da quelle che sperimentiamo nella vita quotidiana.

6. Perché l’acqua bolle a 100 gradi celsius?

L’acqua bolle a 100 gradi celsius sostanzialmente perché… l’abbiamo deciso noi. L’astronomo svedese Anders Celsius ideò nel XVIII secolo una nuova scala di temperatura, estremamente pratica: con un termometro non calibrato misurò l’intervallo di temperatura ai cui estremi l’acqua iniziava da un lato a congelare, dall’altro a bollire. Successivamente suddivise questo intervallo in 100 parti uguali: aveva così inventato il grado centigrado.

Inizialmente, tuttavia, egli aveva fissato gli estremi in modo invertito, facendo corrispondere lo zero all’ebollizione e il 100 al congelamento. Tempo più tardi, il naturalista Linneo invertì la scala, convertendola nei gradi Celsius che utilizziamo oggigiorno.

Dal punto di vista fisico, l’ebollizione dell’acqua corrisponde ad uno stato in cui a causa dell’elevata temperatura, le molecole iniziano ad acquisire una certa energia cinetica. Un po’ come dei pugili irascibili, le molecole sono sempre più agitate, e si spintonano a vicenda. Alcune sono tanto veloci da sfuggire dalla superficie dell’acqua, altre creano bolle di vapore  che risalgono verso l’alto: siamo in presenza dello stato gassoso dell’acqua, ovvero il vapore!

Oggigiorno gli scienziati fanno affidamento su una scala di temperatura che viene definita “assoluta”: il grado kelvin (K). Sebbene un grado kelvin sia equivalente ad un grado celsius, lo zero di questa scala viene posto con la temperatura più bassa termodinamicamente accessibile, corrispondente ad uno stato in cui ogni particella è completamente ferma. Tale temperatura, zero kelvin, corrisponde a circa 273 gradi sotto lo zero celsius. Quindi, nella scala kelvin, l’acqua congela a circa 273 gradi kelvin. Facile, no?

Questo permette di esprimere i dati facendo riferimento alla temperatura più bassa possibile, chiamata appunto lo Zero Assoluto, stato che, secondo la termodinamica, è irraggiungibile con un numero finito di trasformazioni… ma questa è un altra storia.

7. C’è acqua fuori dalla Terra?

Assolutamente sì, probabilmente anche più di quella che potete immaginare. Avete presente le comete, quei simpatici viaggiatori interplanetari che di tanto in tanto fanno capolino intorno al Sole lasciando dietro di sè una spettacolare scia? Ebbene, sono composte perlopiù da roccia, polveri, gas congelati e… acqua! Quando una cometa si avvicina al Sole, il suo calore provoca la sublimazione di questi composti, che dallo stato solido passano direttamente a quello gassoso. Queste emissioni, disperdendosi nello spazio, vanno a formare la chioma e la coda della cometa.

Analisi isotopiche hanno rivelato che una percentuale importante dell’acqua presente sul nostro pianeta sia di origine extraterrestre: il bombardamento che la Terra ha subìto in passato da parte di asteroidi e comete, insieme all’incorporamento di polveri e detriti della nebulosa protoplanetaria, ha contribuito alla formazione delle riserve d’acqua terrestri.

Non solo, l’H2O è stata trovata anche su altri corpi celesti, come Marte, Europa (un satellite di Giove) e Cerere (il più grande degli asteroidi in orbita tra Marte e Giove); e ancora, l’acqua molecolare è stata rilevata all’interno di numerosi dischi stellari nella Via Lattea, la nostra galassia, al punto da indurre ad ipotizzare che i pianeti rocciosi simili alla Terra siano piuttosto diffusi. La parte difficile è scovarli.

La presenza di acqua liquida sulla superficie di un pianeta (anche di un altro sistema stellare) è importante per definire il concetto di “zona abitabile”, ovvero lo spazio orbitale compreso tra la minima e la massima distanza dall’astro tale per cui è possibile l’esistenza dell’acqua allo stato liquido. Questo perché un pianeta che si trovi troppo vicino alla sua stella risulterà troppo caldo, facendo evaporare tutta l’acqua, mentre un pianeta troppo distante sarà tanto freddo da ospitare al più del gelido ghiaccio. Badate bene, trovare l’acqua fuori dalla Terra non significa automaticamente trovare una prova della vita extraterrestre: la vita in sè è una combinazione straordinaria e incredibilmente bilanciata di innumerevoli fattori ambientali, oltre alla presenza dell’acqua. Ma chissà, che l’astronomia non ci regali qualche sorpresa nei prossimi decenni?

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