COSA SONO LE ANOMALIE DELL'ACQUA? - CHIMICA - 2025

Le anomalie dell'acqua sono quelle proprietà che contraddistinguono e posizionate come la più importante e speciale sostanza tutta liquida. Fisicamente e chimicamente l'acqua mostra un'enorme differenza rispetto ad altri liquidi, superando anche le aspettative ei calcoli teorici. Forse è semplice e allo stesso tempo complesso come la vita stessa.

Se il carbonio è la pietra angolare della vita, l'acqua corrisponde al suo fluido. Se non fosse unico e incomparabile, prodotto delle sue anomalie, i legami di carbonio che compongono le matrici biologiche non sarebbero di alcuna utilità; la percezione della vita si sgretolerebbe, gli oceani si congelerebbero completamente e le nuvole non sarebbero sospese nel cielo.

Iceberg e corpi di ghiaccio che galleggiano sull'acqua rappresentano un esempio solitamente trascurato di una delle anomalie dell'acqua. Fonte: Pexels.

Il vapore acqueo è molto più leggero di altri gas e la sua interazione con l'atmosfera provoca la formazione di nuvole; il liquido è notevolmente più denso rispetto al gas, e questa differenza di densità appare accentuata rispetto ad altri composti; e il solido, in modo anomalo, ha una densità molto inferiore rispetto al liquido.

Un esempio di quest'ultimo si osserva nel fatto che iceberg e ghiaccio galleggiano nell'acqua liquida, un prodotto della sua minore densità.

Calore specifico

Spiagge, altro esempio naturale dove si osserva macroscopicamente il calore specifico anomalo dell'acqua. Fonte: Pixabay.

L'acqua mostra una forte opposizione all'aumento della sua temperatura prima di una fonte di calore. Pertanto, la sorgente deve fornire calore sufficiente per costringere l'acqua ad aumentare la sua temperatura di un grado centigrado; cioè, il suo calore specifico è elevato, superiore a quello di qualsiasi composto ordinario e ha un valore di 4,186 J / g · ºC.

Possibili spiegazioni del suo anomalo calore specifico sono dovute al fatto che le molecole d'acqua formano più legami idrogeno, in modo disordinato, e il calore viene dissipato per aumentare le vibrazioni di tali ponti; altrimenti, le molecole d'acqua non vibrerebbero a una frequenza più alta, il che si traduce in un aumento della temperatura.

D'altra parte, una volta che le molecole sono state eccitate termicamente, impiegano tempo per ristabilire lo stato originale dei loro legami idrogeno; questo è come dire che ci vuole tempo per raffreddarsi in condizioni normali, comportandosi come un serbatoio di calore.

Le spiagge, ad esempio, mostrano entrambi i comportamenti durante le diverse stagioni dell'anno. In inverno rimangono più calde dell'aria circostante e in estate più fresche. Per questo motivo sarà soleggiato, ma quando si nuota in mare è più fresco.

Calore latente di vaporizzazione

L'acqua ha un'entalpia o un calore latente di evaporazione molto elevati (2257 kJ / kg). Questa anomalia si sinergizza con il suo calore specifico: si comporta come serbatoio e regolatore del calore.

Le sue molecole devono assorbire abbastanza calore per passare alla fase gassosa e il calore viene ottenuto dall'ambiente circostante; soprattutto sulla superficie a cui sono attaccati.

Questa superficie può essere, ad esempio, la nostra pelle. Quando il corpo si allena rilascia il sudore, la cui composizione è essenzialmente acqua (maggiore del 90%). Il sudore assorbe il calore dalla pelle per vaporizzarla, dando così la sensazione di raffreddamento. Lo stesso accade con il terreno, che dopo aver vaporizzato la sua umidità, abbassa la sua temperatura e si sente più freddo.

Costante dielettrica

La molecola d'acqua è estremamente polare. Ciò si riflette nella sua costante dielettrica (78,4 a 25 ° C), che è superiore a quella di altre sostanze liquide. A causa della sua elevata polarità, è in grado di sciogliere un gran numero di composti ionici e polari. È per questo motivo che è considerato il solvente universale.

Diffusione

Diffusione dell'acqua attraverso un tubo. Fonte: Pxhere.

Una delle curiose anomalie dell'acqua liquida è che si diffonde molto più velocemente di quanto stimato attraverso un foro di dimensioni ridotte. I fluidi generalmente aumentano la loro velocità quando scorrono attraverso tubi o canali più stretti; ma l'acqua accelera in modo più drastico e violento.

Macroscopicamente ciò può essere osservato variando l'area della sezione trasversale dei tubi attraverso i quali circola l'acqua. E nanometricamente, lo stesso può essere fatto ma utilizzando nanotubi di carbonio, secondo studi computazionali, che aiutano a chiarire la relazione tra struttura molecolare e dinamica dell'acqua.

Densità

Si è detto all'inizio che il ghiaccio ha una densità inferiore dell'acqua. Oltre a questo, raggiunge un valore massimo intorno ai 4ºC. Quando l'acqua si raffredda al di sotto di questa temperatura, la densità inizia a diminuire e l'acqua più fredda sale; e infine, vicino a 0 ° C, la densità scende a un valore minimo, quello del ghiaccio.

Una delle principali conseguenze di ciò non è solo che gli iceberg possono galleggiare; ma anche favorisce la vita. Se il ghiaccio fosse più denso, affonderebbe e raffredderebbe le profondità fino al congelamento. I mari si raffredderanno quindi dal basso verso l'alto, lasciando solo un velo d'acqua disponibile per la fauna marina.

Inoltre, quando l'acqua penetra nelle cavità delle rocce e la temperatura scende, si espande quando gela favorendone l'erosione e la morfologia esterna ed interna.

Acqua leggera e acqua pesante

Mentre il ghiaccio galleggia, le superfici dei laghi e dei fiumi si congelano, mentre i pesci possono continuare a vivere nelle profondità, dove l'ossigeno si dissolve bene e la temperatura è superiore o inferiore a 4 ° C.

L'acqua liquida, infatti, non è considerata idealmente omogenea, ma è costituita da aggregati strutturali di diversa densità. In superficie si trova l'acqua più leggera, mentre in fondo è la più densa.

Tuttavia, tali "transizioni" liquido-liquido sono evidenti solo in acqua super raffreddata e durante simulazioni con pressioni elevate.

Espansioni di ghiaccio

Un'altra anomalia caratteristica dell'acqua è che il ghiaccio diminuisce la sua temperatura di fusione all'aumentare della pressione; ovvero, a una pressione più alta, il ghiaccio si scioglie a temperature più basse (inferiori a 0ºC). È come se il ghiaccio, invece di contrarsi, si espandesse per effetto della pressione.

Questo comportamento è contrario a quello degli altri solidi: maggiore è la pressione su di essi, e quindi, la loro contrazione, richiederanno una temperatura o un calore maggiore per fondersi e potranno così separare le loro molecole o ioni.

Vale anche la pena ricordare che il ghiaccio è uno dei solidi più scivolosi in natura.

Tensione superficiale

Insetto che cammina sulla superficie dell'acqua. Fonte: Pixabay.

Infine, sebbene siano state menzionate solo un paio di anomalie (delle circa 69 note e molte altre da scoprire), l'acqua ha una tensione superficiale anormalmente alta.

Molti insetti sfruttano questa proprietà per poter camminare sull'acqua (immagine in alto). Questo perché il suo peso non esercita una forza sufficiente per rompere la tensione superficiale dell'acqua, le cui molecole, invece di espandersi, si contraggono, impedendo all'area o alla superficie di aumentare.

Riferimenti

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