Un bicchiere d’acqua sembra la cosa più banale del mondo. Eppure le proprietà dell’acqua sono così insolite che, se l’acqua si comportasse come gli altri liquidi, sulla Terra la vita come la conosciamo non esisterebbe.
Qualche esempio che vedi tutti i giorni:
- un cubetto di ghiaccio galleggia nella bibita invece di affondare;
- un insetto riesce a camminare sulla superficie di uno stagno;
- l’acqua sale da sola lungo un tovagliolo di carta;
- il mare d’estate resta fresco anche quando la sabbia scotta.
Dietro tutti questi fenomeni c’è la stessa spiegazione: la forma della molecola d’acqua e un tipo di attrazione speciale tra molecole, il legame a idrogeno. In questa lezione di ScienzEasy lo scopriamo passo dopo passo.
Un po’ di numeri. L’acqua copre circa il 71% della superficie terrestre. Nel corpo umano adulto arriva fino al 60% del peso, ed è ancora di più nei neonati; in alcuni organismi, come le meduse, arriva a oltre il 90%.
La molecola d’acqua: piccola ma “sbilanciata”
La formula la conosci: H₂O. Ogni molecola è fatta da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, uniti da legami covalenti: ogni idrogeno mette in comune il suo unico elettrone con l’ossigeno, e l’ossigeno ne mette in comune uno dei suoi con ciascun idrogeno.
La molecola non è dritta come una sbarretta: è piegata a V, con un angolo di circa 104,5° tra i due idrogeni. Questa forma, da sola, cambia tutto.
Perché è “sbilanciata”. L’ossigeno attira gli elettroni molto più forte dell’idrogeno: in chimica si dice che è più elettronegativo. Gli elettroni condivisi passano quindi più tempo vicino all’ossigeno. Risultato:
- la zona dell’ossigeno diventa leggermente negativa (si scrive δ⁻, “delta meno”);
- le zone dei due idrogeni diventano leggermente positive (δ⁺, “delta più”).
Nel complesso la molecola resta neutra, perché ha tanti protoni quanti elettroni. Ma le cariche non sono distribuite in modo uniforme: per questo diciamo che l’acqua è una molecola polare. È un po’ come una calamita minuscola, con un lato “più” e un lato “meno”.
Il legame a idrogeno: la “colla” tra le molecole
Cosa succede quando due molecole polari si avvicinano? I poli opposti si attraggono: un idrogeno (δ⁺) di una molecola viene attirato dall’ossigeno (δ⁻) di una molecola vicina. Questa attrazione si chiama legame a idrogeno.
Attenzione a non confonderlo con il legame covalente:
| Legame covalente | Legame a idrogeno | |
|---|---|---|
| Dove si trova | Dentro la molecola, tra O e H | Tra molecole diverse |
| Forza | Molto forte | Circa 20 volte più debole |
| Durata | Stabile | Si rompe e si riforma di continuo, in tempi brevissimi |
Ogni molecola d’acqua può formare fino a 4 legami a idrogeno: due con i suoi idrogeni e due con l’ossigeno, che ha due “lati” negativi liberi. Le quattro molecole vicine si dispongono ai vertici di un tetraedro, una piramide a base triangolare.
Preso da solo, un legame a idrogeno è debole. Ma in un solo bicchiere d’acqua ce ne sono miliardi di miliardi, e tutti insieme tengono unite le molecole con una forza sorprendente. Quasi tutte le proprietà speciali dell’acqua nascono da qui.
Le proprietà dell’acqua, una per una
1. Coesione e adesione
- Coesione: le molecole d’acqua si attirano tra loro. È per questo che l’acqua forma gocce quasi sferiche.
- Adesione: le molecole d’acqua si attaccano a sostanze diverse, come il vetro, la carta o un filo d’erba. È per questo che le gocce restano appese alle foglie invece di cadere.
Trucco per ricordarle: co-esione = “con i compagni”, ad-esione = “attaccata ad altro”.
2. Tensione superficiale
Una molecola in mezzo al liquido è tirata in tutte le direzioni dalle vicine. Una molecola in superficie, invece, sopra di sé non ha altra acqua: viene tirata solo di lato e verso il basso. Così lo strato superficiale si comporta come una pellicola elastica.
È questa pellicola che permette agli idrometri, piccoli insetti degli stagni, di camminare sull’acqua. Puoi provarlo anche tu: appoggia con delicatezza una graffetta su un bicchiere pieno e la vedrai galleggiare, anche se il metallo è molto più denso dell’acqua. Aggiungi una goccia di detersivo e la graffetta affonda: il sapone “rompe” la pellicola.
3. Capillarità
In un tubicino sottilissimo l’acqua riesce a salire verso l’alto, contro la gravità. Succede perché l’adesione la fa “arrampicare” sulle pareti del tubo e la coesione si trascina dietro le altre molecole.
Esempi: un tovagliolo di carta che assorbe una macchia, una zolletta di zucchero che si bagna dal basso e, soprattutto, le piante, che grazie anche alla capillarità portano l’acqua dalle radici fino alle foglie attraverso vasi sottilissimi.
4. Calore specifico elevato
Il calore specifico è l’energia che serve per scaldare di 1 °C un grammo di una sostanza. Per l’acqua servono circa 4,18 joule, un valore molto alto rispetto a quasi tutte le altre sostanze comuni.
Il motivo? Quando scaldi l’acqua, parte dell’energia non serve ad aumentare la temperatura ma a rompere i legami a idrogeno. In pratica, l’acqua si scalda lentamente e si raffredda lentamente.
Ecco perché d’estate la sabbia brucia e il mare resta fresco, e perché le città di mare hanno inverni più miti di quelle dell’entroterra.
5. Evaporazione che rinfresca
Per passare da liquido a vapore, ogni molecola deve rompere tutti i legami a idrogeno che la tengono attaccata alle altre. Serve molta energia: per far evaporare un litro d’acqua ne occorrono circa 2.260 kJ, più di cinque volte quella necessaria per scaldarlo da 0 a 100 °C.
Questa energia viene presa dall’ambiente circostante, cioè anche dalla nostra pelle. È il segreto del sudore: evaporando, sottrae calore al corpo e ci raffredda. Per lo stesso motivo, uscendo dalla piscina senti freddo anche se fuori fa caldo.
Perché il ghiaccio galleggia
Quasi tutti i liquidi, raffreddandosi, diventano più densi: le molecole rallentano, si avvicinano e occupano meno spazio. Anche l’acqua fa così, ma solo fino a 4 °C. Sotto quella temperatura succede il contrario.
Sotto i 4 °C le molecole, ormai lente, iniziano a sistemarsi in modo più ordinato per formare legami a idrogeno stabili. Questo ordine richiede spazio: le molecole si allontanano un po’ e la densità scende.
A 0 °C l’acqua diventa ghiaccio: ogni molecola è bloccata in un reticolo cristallino a esagoni, pieno di “buchi”. Lo stesso numero di molecole occupa circa il 9% di volume in più, quindi il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e galleggia.
Due conseguenze che conosci:
- una bottiglia d’acqua dimenticata in freezer si gonfia e può rompersi;
- di un iceberg vediamo solo la punta: circa il 90% resta sott’acqua.
Perché tutto questo conta per la vita
- È il “solvente universale”. Essendo polare, l’acqua circonda e separa molte sostanze, come i sali e gli zuccheri. Per questo nel sangue e nelle cellule trasporta nutrienti, sali minerali e scarti.
- Stabilizza il clima. Grazie al calore specifico elevato, oceani e laghi assorbono calore d’estate e lo rilasciano d’inverno, smorzando gli sbalzi di temperatura.
- Protegge la vita nei laghi. Il ghiaccio galleggia e fa da coperta isolante: sotto, l’acqua resta liquida a circa 4 °C e pesci e piante sopravvivono all’inverno.
- Fa salire la linfa. Coesione, adesione e capillarità aiutano le piante a portare l’acqua dalle radici alle foglie, anche negli alberi alti decine di metri.
- Ci tiene al fresco. L’evaporazione del sudore è il nostro “condizionatore” naturale.
Secondo le teorie più accreditate, la vita sulla Terra è nata proprio nell’acqua. Non è un caso: nessun altro liquido comune mette insieme tutte queste caratteristiche.
Ripasso in 5 punti
- La molecola d’acqua (H₂O) è piegata a V ed è polare: ossigeno δ⁻, idrogeni δ⁺.
- Tra molecole vicine si formano legami a idrogeno, deboli uno per uno ma fortissimi tutti insieme; ogni molecola ne forma fino a 4.
- Dai legami a idrogeno nascono coesione, adesione, tensione superficiale e capillarità.
- L’acqua ha un calore specifico alto e serve molta energia per farla evaporare: per questo stabilizza il clima e il sudore ci rinfresca.
- L’acqua è più densa a 4 °C; il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida e quindi galleggia.
Mettiti alla prova
- Perché la molecola d’acqua è polare, anche se nel complesso è neutra?
- Che differenza c’è tra coesione e adesione? Fai un esempio per ciascuna.
- Perché una graffetta può galleggiare sull’acqua, ma affonda se aggiungi del detersivo?
- Perché dopo un bagno al mare senti freddo appena esci, anche se c’è il sole?
- Perché in inverno un lago gela in superficie e non dal fondo?
Mostra le soluzioni
1) Perché l’ossigeno attira gli elettroni più degli idrogeni, quindi le cariche non sono distribuite in modo uniforme. 2) Coesione: attrazione tra molecole d’acqua (gocce sferiche); adesione: attrazione con altre sostanze (gocce attaccate al vetro o alle foglie). 3) Per la tensione superficiale; il detersivo indebolisce le attrazioni tra le molecole in superficie. 4) L’acqua sulla pelle evapora e per farlo sottrae calore al corpo. 5) Perché il ghiaccio è meno denso e galleggia, mentre l’acqua più densa, a circa 4 °C, resta sul fondo.
Per approfondire, lo U.S. Geological Survey ha una bella raccolta di curiosità sulle proprietà dell’acqua (in inglese). Su GeoGeasy trovi anche la lezione sulle fasi lunari spiegate facili e tutte le altre nella categoria ScienzEasy – La scuola spiegata facile.
