Acqua questa sconosciuta: pensieri in libertà intorno all’acqua.

di Andrea Bozzo 

L’acqua è l’elemento principe della vita sulla terra, nonché il principale strumento per combattere il fuoco. Eppure trascuriamo spesso la sua straordinaria complessità. Andrea Bozzo ci aiuta a conoscerne le caratteristiche principali e le sue potenzialità.

La similitudine dell’atomo con il sistema solare è molto intuitiva e di facile comprensione. Una massa enorme attorno alla quale ruotano dei pianeti in diverse orbite trattenuti dalla forza di attrazione gravitazionale che è direttamente proporzionale alle masse in questione ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, secondo la legge di Newton.

Però il sole, ossia il nucleo in questa similitudine, ed i pianeti ossia gli elettroni, sono un po’ diversi.
Gli elettroni non possono essere localizzati con precisione come i pianeti, né seguono traiettorie ellittiche ben definite; piuttosto essi occupano delle regioni dello spazio denominate orbitali.

Tali regioni, che hanno la forma di sfere, lobi ed anelli centrati sul nucleo, vanno considerate come “nubi elettroniche”…un po’ come sciami di api intorno al loro alveare. Tutta la chimica di un atomo scaturisce dal modo in cui i suoi elettroni sono distribuiti nei vari orbitali disponibili.

Un’altra differenza fra atomi e sistemi solari sta nel fatto che gli elettroni non sono trattenuti da forze gravitazionali, ma per attrazione elettrica: l’elettrone ha carica negativa, mentre il protone nel nucleo ha carica positiva di uguale intensità. Un atomo con un pari numero di entrambe le particelle sarà dunque elettricamente neutro.

Gli elettroni, tuttavia, possono essere strappati agli atomi proprio come una stella di passaggio potrebbe strappare un pianeta ad un vicino sistema solare.
L’atomo, così spogliato, ha ora un eccesso di protoni rispetto agli elettroni ed è quindi carico positivamente. Gli atomi possono anche acquisire elettroni, diventando così carichi negativamente. Gli atomi carichi sono chiamati ioni.

Quale caratteristica fondamentale di un elemento si considera il suo numero di protoni nel nucleo, in quanto per strappare dei protoni dal nucleo occorre una quantità di energia enorme e l’evento trasforma l’atomo in un elemento completamente diverso.
Questa doverosa premessa per cominciare a parlare dei due atomi che formano la molecola dell’acqua: idrogeno ed ossigeno.

Sebbene gli atomi di idrogeno abbiano un protone e quelli di ossigeno ne abbiano otto, l’ossigeno pesa circa sedici volte più dell’idrogeno. C’è infatti un terzo ingrediente nell’atomo: una particella chiamata neutrone, che ha praticamente la stessa massa del protone ma è elettricamente neutra. Tranne l’idrogeno, tutti gli atomi hanno protoni e neutroni nel nucleo. Ovviamente la Natura ha previsto delle eccezioni, con numeri di neutroni diversi rispetto ai protoni, creando gli isotopi. Solitamente l’idrogeno non ha neutroni, ma in casi molto rari può averne uno o due. L’ isotopo con un neutrone si chiama idrogeno pesante o deuterio (legato all’ossigeno dà luogo alla molecola di “acqua pesante”utilizzata in ambito nucleare), mentre quello con due si chiama trizio.

La forza che lega protoni e neutroni è moltissime volte più forte dell’attrazione elettrica esistente tra protoni ed elettroni.
Idrogeno deriva dal greco e significa “generatore d’acqua”, è l’elemento più leggero della tavola periodica, estremamente infiammabile, ed il più abbondante nell’universo.

Può dar luogo a reazioni detonanti con ossigeno semplicemente esposto alla luce solare se i reagenti sono in concentrazione sufficientemente elevata, ed ha un campo di infiammabilità molto ampio (474,5 a 20°C ed 1 atm).

Ossigeno deriva dal greco e significa “generatore d’ acido”, è l’elemento ossidante per eccellenza ed è quello più comune nella crosta terrestre (47% della massa legato ad altri elementi). In atmosfera invece è presente in una percentuale variabile dal 21 al 23% ed esiste grazie alla fotosintesi clorofilliana, che scinde la molecola di acqua. L’ossigeno è così affine a legarsi ai materiali (ossidazione) che solo i gas nobili gli possono sfuggire (elio, neon, argon).

Come per l’idrogeno, l’ossigeno ha due isotopi a seconda del numero di neutroni nel suo nucleo, però essi sono radioattivi e molto instabili.
E’ l’ossidante per eccellenza, e questo lo rende necessario alla grande maggioranza delle combustioni (alcune possono anche avvenire in assenza di esso).

La combustione più spettacolare a cui l’uomo abbia assistito è, a mio avviso, quella utilizzata per far decollare lo Space Shuttle. Questa spettacolare navetta utilizza due tipi di combustibile: uno solido, contenuto nei serbatoi bianchi ed utilizzato nella fase di decollo nella cui molecola trova l’ossigeno per permettere la combustione, e due liquidi, idrogeno ed ossigeno, contenuti nel grande serbatoio arancione. L’idrogeno combustibile alimenta i motori dello Shuttle e l’ossigeno comburente ne permette la combustione secondo la famosa reazione O2 + 2H2 = 2 H2O, ossia una molecola di ossigeno ossida due molecole di idrogeno dando come risultato due molecole di acqua e tanto, tanto calore. Questi motori vengono mantenuti accesi anche dopo che i serbatoi bianchi vengono sganciati per poi essere recuperati nell’oceano, mentre quello arancione si consuma durante il suo rientro nell’atmosfera.

Nell’alta atmosfera abbiamo la scissione naturale della molecola di acqua nei suoi atomi di idrogeno ed ossigeno ad opera dei raggi ultravioletti. Il processo prende il nome di fotolisi. L’idrogeno poi sfugge nello spazio. Questa scissione costa al pianeta un piccolo lago ogni anno. Sempre nell’alta atmosfera abbiamo la produzione del famoso O3, ozono, a causa delle scariche elettriche in aria. L’ozono ci protegge assorbendo i raggi ultravioletti nocivi emessi dal Sole, ecco perché il famoso “buco” destava giuste preoccupazioni. Per l’uomo però l’ozono è molto tossico e, se in forma liquida, addirittura esplosivo.

Dopo questa doverosa premessa sui costituenti di questa straordinaria molecola, di cui fortunatamente la Terra è ricca, possiamo cominciare ad addentrarci nelle sue peculiarità.

I legami idrogeno-ossigeno formano un angolo di 104,5 gradi, dando alla molecola una conformazione bipolare e soggetta ad orientarsi se investita da un campo elettromagnetico (motivo per cui il forno a microonde la mette in rapido movimento e ne provoca il riscaldamento, mentre sostanze prive di H2O no). Ma non è tutto; in realtà non è una molecola planare…volumetricamente si dispone nella forma di tetraedro (la forma che avevano i vecchi contenitori del latte). Ciò fa sì che al raffreddamento questa disposizione spaziale si incastri con altri tetraedri e ne determini un comportamento anomalo. Ricordo che da bambino notavo come la superficie dell’acqua ghiacciata nella ciotola del cane assumesse forme strane, non planari, creando protuberanze anomale. Il motivo è dovuto proprio a questi “incastri congelati”.

Ma essa la troviamo anche nello spazio: la cometa di Halley, che misura circa otto chilometri per sedici, ha una massa di circa cento trilioni di chilogrammi, la maggior parte costituiti da ghiaccio. Dieci milioni di queste comete basterebbero a riempire tutti gli oceani della terra! Sicuramente questi vettori spaziali hanno contribuito in passato a riversare parecchia acqua nel nostro pianeta.

L’acqua ha veramente uno strano comportamento poiché la maggior parte delle sostanze è più densa allo stato solido che a quello liquido. Al congelamento i liquidi tendono a contrarsi ed addensarsi, anche fino al 10%. Ed anche le sostanze solide al raffreddamento si contraggono.

L’acqua no, diventa meno densa ed aumenta di volume, motivo per cui cubetti di ghiaccio ed iceberg galleggiano.
L’acqua raggiunge il massimo della densità a 4 °C. Al di sotto di questa temperatura la sua densità comincia a diminuire, quindi pesa di meno, mentre sopra di essa si comporta “normalmente”, ossia diminuisce all’aumentare della temperatura.

Per produrre lo stesso innalzamento di temperatura, occorre più calore che in quello della maggior parte delle altre sostanze, liquide o solide che siano.
Dispone cioè di una capacità termica molto alta. E come richiede molto calore per scaldarsi, ne disperde poco al suo raffreddamento. Ci mette cioè molto a raffreddarsi. L’evaporazione dell’acqua avviene facilmente poiché la quantità di vapore acqueo presente nell’aria è in genere ben al di sotto della “pressione di vapore saturo”, la massima umidità che l’aria può raggiungere prima che le goccioline d’acqua comincino a ricondensare, ma sottrae grande energia dall’ambiente.

Ecco perché è il mezzo più efficace, economico e facilmente disponibile per l’estinzione degli incendi.

Altra caratteristica anomala è che la viscosità diminuisce all’aumentare della pressione, al contrario degli altri liquidi che diventano più viscosi, meno fluidi, all’aumentare della pressione. La viscosità può essere descritta come una sorta di “attrito interno” tra le molecole.

A seconda di dove viviamo poi possiamo trovare acque più o meno ‘dure’, a secondo dei sali di calcio e magnesio in esse contenuti: più le acque sono ‘dure’, maggiore è la sensazione di pulizia che ne deriva dopo aver usato del sapone. Il lato negativo però consiste nei precipitati di carbonato di calcio e magnesio che lasciano dopo l’evaporazione, i quali provocano fastidiose incrostazioni (calcare) difficili da togliere.

Può avvolgere morbidamente il corpo se ci immergiamo lentamente, oppure prestare alta e dolorosa resistenza se la velocità di impatto cresce, diventando una superficie dura e contundente.

Anche la sua tensione superficiale la rende particolare: è molto alta rispetto ad altri liquidi. Le azioni attrattive tra le molecole di un liquido (le forze di coesione) fanno sì che le molecole dello strato superficiale siano soggette a una forza risultante non nulla che tende a farle spostare verso l’interno; esse pertanto tendono a sfuggire dalla superficie limite del liquido e di conseguenza questa tende ad assumere la estensione minima possibile (in assenza di altre forze, la superficie minima, è quella sferica). Offrono altresì una certa resistenza alla penetrazione. L’utilizzo di alcuni prodotti (tensioattivi) ne abbassano la tensione superficiale, facilitando la sua penetrazione ed imbibizione nei materiali assorbenti (la cosiddetta acqua bagnata).

Alcuni insetti sfruttano la tensione superficiale per “camminare” sull’acqua.
La superficie sferica è quella che permette la minima estensione possibile.

Capiamo meglio il comportamento dell’acqua dal suo diagramma delle transizioni di fase.

Figura 1.

Come si vede alla prex di una atm l’H2O può essere sia ghiaccio che liquida che vapore, a seconda della sua T.

E ad una stessa T anche, a seconda della sua pressione.
In Tibet, per es, l’ H2O bolle ad 80 °C vista la pressione ridotta, viceversa nella pentola a pressione bolle a 120 °C riducendo quindi i tempi di cottura. Se si aprisse repentinamente la pentola a pressione avremmo il fenomeno del BLEVE, ossia l’immediata trasformazione in vapore di tutta la massa di H2O che si trova ad una temperatura superiore a quella di ebollizione a pressione atmosferica. Un litro di H2O, quando si trasforma in vapore a 100°C, occupa immediatamente 1700 litri di volume,cioè 1,7 mc.

Per aprirla invece in sicurezza e velocemente basta porla sotto il rubinetto, aprire l’acqua fredda e lasciare condensare il vapore all’interno della pentola, ripristinando così il suo equilibrio termico.

Figura 2. L’ H2O non è l’unica ad avere un grafico di questo tipo, ma è l’unica ad avere la linea di demarcazione solido/liquido inclinata a sx: questa è la ragione del suo aumento di volume passando dallo stato liquido a quello solido. Il sale sposta a sx il punto triplo, per cui gela a T inferiori (vedi H2O mare o sale su strade in inverno)

Figura 3. Quando evapora il liquido assorbe calore senza variare la T. Il calore assorbito da un gas mentre evapora partendo da liquido si chiama calore “latente” (pare nascosto, non essendo accompagnato da aumento di T).Il calore latente viene di nuovo liberato quando il gas si condensa Ecco perché a 100°C il vapore produce ustioni più gravi dell’acqua bollente: quando condensa sulla pelle scarica anche il calore latente. Ed ancora, è solo quando evapora che l’ H2O assorbe un’enorme quantità di calore (2,26 Mj/kg), mentre per riscaldarsi in fase liquida o gas ne assorbe molto meno.

La figura 3 evidenzia quale sia la potenzialità dell’ H2O nell’estinzione degli incendi: portare il vapore a 300 °C richiede un’energia termica pari a 3,4 MJ/kg…un’enormità! Tutto calore sottratto all’incendio, ma la goccia deve essere di dimensioni adeguate, minore di 1 mm di diametro affinché il rapporto superficie/volume offra un rendimento di evaporazione alto. Il contenuto di una bottiglietta di H2O da mezzo litro, se opportunamente frazionata, sarebbe in grado di assorbire l’energia termica emessa da una scrivania con sedia ed un pc in fiamme, il cui HRR stimato è intorno a 1,8 MW!

E’ il solvente per eccellenza, può sciogliere quasi tutto ed è chimicamente reattiva ad un livello tale da essere altamente corrosiva (soprattutto quella salata), ma per il nostro organismo è ottima e ne siamo costituiti per almeno il 70%!
Guai però a bere H2O salata: a parte l’orribile sapore disidraterebbe le nostre cellule per osmosi, richiamando quella diluita dall’interno delle stesse verso quella soluzione più concentrata all’esterno per cercare di ristabilire un equilibrio. La morte per disidratazione avverrebbe di lì a poco.

E che dire della forma dei suoi spettacolari cristalli, di varie fogge, che dipendono da temperatura ed umidità. Studi effettuati in Giappone hanno addirittura rilevato come la musica, quindi la vibrazione, ne modifichi la struttura ottenendo figure meravigliose o cristalli deformi (studi di Masaru Emoto).

Cristalli di H2O ottenuti a basse temperature durante una vibrazione a diverse frequenze (note musicali).

Non ci sono limiti allo stupore: possiamo avere ghiaccio anche oltre 100 gradi “basta” arrivare a circa 22.000 atm!

Come pure allo stato liquido a temperature ben inferiori allo zero almeno fino a –38°C, dove prende il nome di acqua sovraraffreddata o sovraffusa (un esempio sono le nuvole oltre i 2000 metri!) Lo si intuisce dalla figura 2 delle transizioni di fase.

Naturalmente esiste anche l’acqua sovrariscaldata ossia liquida oltre i 100 gradi come abbiamo visto nel caso della pentola a pressione, ma anche in natura: come fa l’acqua a risalire alberi di più di 30 metri di altezza? Occorrerebbe una pressione di almeno 3 bar…la capillarità non basta…E’ il fenomeno dell’evaporazione attraverso la superficie delle foglie che mette in depressione il condotto e richiama l’acqua la quale, trovandosi a basse pressioni dovrebbe evaporare ma non può perchè non ha lo spazio per farlo: si trova sovrariscaldata. Grazie a tale principio un albero di betulla di medie dimensioni immette in aria circa 300 litri di acqua al giorno. Da questo semplice dato si può capire come il taglio delle foreste equatoriali possa alterare pesantemente l’equilibrio idrico del pianeta: non esiste infatti specchio d’acqua o altre piantagioni alternative che possano sopperire a questa quantità di acqua sottratta all’ambiente.

Poi c’è il discorso della”memoria” dell’acqua, ossia la capacità delle stessa di ricordare le proprietà di alcune sostanze presenti in essa, dando gli stessi effetti anche se di sostanza non ne rimane più (principio utilizzato nell’omeopatia=sofferenza simile: introdurre pressoché inesistenti quantitativi di sostanza che produrrebbe quel determinato sintomo, allo scopo di curarlo, stimolando l’organismo a creare le sue proprie autodifese naturali). Questo suscita incredulità, ma sono stati condotti numerosissimi esperimenti scientifici a riguardo.

D’altronde se consideriamo i principi della meccanica quantistica o relatività speciale di Einstein vi sono cose incomprensibili e difficilmente accettabili per gli studi tradizionali.

Nonostante anni di studi, l’acqua l’elemento per noi più naturale e scontato della Terra, rimane ancora un mistero!
Che dire…una risorsa piena di risorse e sorprese e molto, molto utile. Necessaria! Trattiamola bene!