giovedì 4 febbraio 2010

Le due fasi dell'acqua

Malgrado la sua enorme importanza, nessuna teoria è stata in grado fino ad ora di spiegare in maniera soddisfacente le bizzarre proprietà dell’acqua. Una di queste è il fatto che la sua densità è massima a 4°C: il ghiaccio è così meno denso dell'acqua liquida e può galleggiare su di essa. 
La chiave per la comprensione delle strane proprietà dell'acqua è il modo in cui le sue molecole - composte da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno - interagiscono l'una con l'altra. L'atomo di ossigeno ha una leggera carica negativa, mentre gli atomi di idrogeno condividono una carica di compensazione positiva. Per questo motivo, idrogeno e ossigeno di molecole vicine sono attratti l'uno all'altro e formano un link chiamato legame idrogeno. Ciascuna molecola è circondata da altre quattro sistemate in maniera tale da formare una priramide triangolare, un tetraedro. Il legame idrogeno, più debole di quello tra gli atomi nella molecola, si rompe e si riforma continuamente e quando la struttura tetraedrica si “irrigidisce”, l’acqua liquida diviene ghiaccio.
In passato alcuni fisici avevano sostenuto che l'acqua, sotto determinate condizioni estreme, potesse separarsi in due diverse sotto-strutture ma per tutti era scontato che tornasse a presentarsi come una struttura unica in condizioni normali. Lars Pettersson e Anders Nilsson avevano però già scoperto circa dieci anni fa, attraverso una serie di misure, che l’acqua presenta sempre, anche in condizioni normali, due strutture separate: una in cui le molecole sono ordinate nei tetraedri ed una costituita da molecole disordinate. In seguito furono in grado di stabilire che quest’ultima risultava la componente preponderante (contrariamente a quanto ci si aspettava) e quella che “reagiva” ai cambiamenti di temperatura. Ora apprendiamo ancora qualcosa in più: l'acqua è disseminata da piccole regioni di molecole tetraedricamente organizzate, ogni regione ha le dimensioni di 1-2 nanometri, è costituita quindi da circa 50-100 molecole, in media, circondate da un mare di molecole più debolmente legate. Queste regioni non sono fisse ma in tempi dell’ordine di un millesimo di miliardesimo di secondo, si disfano e si riformano.
Questa scoperta dovrebbe fornire una spiegazione per il massimo della densità dell'acqua a 4° C. Nelle regioni disordinate, le molecole d'acqua sono più vicine, e quindi più dense, che nelle regioni in cui le molecole sono disposte in una struttura tetraedrica rigida. A 0° C queste regioni disordinate sono rare, ma non appena l'acqua viene riscaldata l’energia termica fornita tende a scuotere la struttura più ordinata in modo che le molecole vi passino meno tempo che nelle regioni disordinate. L’acqua diviene così, in media, più densa. D’altra parte, non appena la temperatura aumenta, le molecole debolmente legate si muovono con maggior vigore, trovandosi in media sempre più distanti le une dalle altre. Quando questo effetto di espansione domina la densità comincia a diminuire all’aumentare della temperatura.
Fonte: "The strangest liquid: Why water is so weird" di Edwin Cartlidge su NewScientist.

14 commenti:

Popinga ha detto...

Bellissimo articolo, che mi ha insegnato una cosa davvero interessante. Quindi tra 0 e 4° l'energia in arrivo serve a scindere i legami dei tetraedri?Adesso però dici chi era il tizio...

peppe ha detto...

Uno che è non c'è più da dieci anni, proprio da quando sono arrivate le prime evidenze sperimentali della doppia fase.
Segnalerei un nota del 1998:
http://arxiv.org/abs/cond-mat/9802117
ed il primo articolo sulla questione (del 1988)
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v61/i9/p1085_1

Popinga ha detto...

Ah, ma perchè non ne dici il nome? Hai paura che dopo gli studi sulla fusione fredda esista nei suoi confronti una specie di damnatio memoriae?

peppe ha detto...

perchè è un nome che attira i pazzi come una calamita.

Lucy ha detto...

Credo di sapere a chi ti riferisci ...ma in effetti hai ragione, forse è meglio non parlarne(pensavo di dedicargli un articolo dopo la lettura di uno dei suoi libri ma forse è meglio lasciar perdere).
Bellissimo articolo! Mi hai messo di buon umore:)

peppe ha detto...

@Lucy
Grazie

Gianluigi Filippelli ha detto...

Ho anche avuto tra le mani il suo libro, ma non ho mai letto la sezione dedicata all'acqua: da laureando ero più interessato a quello che mi serviva per la tesi che non ad approfondire di più.
Comunque avevo in mente di scrivere un articolo sul nostro (che non ho avuto l'onore di conoscere - troppo giovane...), ma visti i commenti del post, forse dovrei rientrare nella decisione.

P.S.: ora che non devo più ospitare il Carnevale, aspettati menzioni sparse così, all'imporvviso!

peppe ha detto...

A maggio ricorre il decennale della morte. Probabilmente organizzano qualcosa (forse l'Accademia Nazionale dei Lincei).

Gianluigi Filippelli ha detto...

Si potrebbe organizzare qualcosa congiuntamente per quel periodo: eventualmente ci organizziamo via e-mail.

peppe ha detto...

@Gianluigi
ok. Io forse verrò coinvolto nelle celebrazioni ufficiali. Ti farò sapere.

Annarita ha detto...

Fai sapere anche a me, Peppe. Sono interessata anch'io;)

peppe ha detto...

certamente, Annarita.

fatou ha detto...

Era una persona molto preparata nelle questioni di fisica?

peppe ha detto...

Lo era, fatou, malgrado molti, quando ne parlano, non sanno di cosa parlano.