© 2012 Cristian Lucisano Editore • LE BASI DI FISICA - Aldo Marinoni
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La dilatazione dell’acqua
L’acqua è il principale vettore chimico e catalizzatore biologico della vita.
La vita sulla Terra è indissolubilmente legata alle caratteristiche uniche della molecola H2O .
Alle condizioni di temperatura, pressione e gravità del nostro pianeta, senz’acqua non sarebbe possibile la vita nella piena accezione del termine.
L’acqua trasporta gli elementi in soluzione, favorisce le reazioni chimiche fungendo da catalizzatore e pos- siede un alto calore specifi co.
Nella sua forma più elementare la molecola singola dell’acqua è composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno.
Gli atomi di idrogeno condividono con l’atomo di ossigeno il loro singolo elettrone, legandosi ad esso in una molecola energeticamente più stabile; cioè l’energia della molecola di acqua è minore della somma dell’ener- gia degli atomi liberi di idrogeno e ossigeno.
La reazione di sintesi dell’acqua, infatti, oltre che alla molecola H2O dà luogo al rilascio di energia sotto forma di calore e luce.
Da qui i possibili utilizzi dell’idrogeno come vettore energetico nei motori a combustione interna.
Le peculiari caratteristiche dell’acqua sono la conseguenza del particolare legame tra idrogeno e ossigeno.
Come detto, l’atomo di ossigeno e i due atomi di idrogeno uniscono le loro nubi elettroniche più esterne, condividendo così le cariche elettroniche.
Tale condivisione però non è equa, poiché l’ossigeno, maggiormente elettronegativo, riesce a attrarre a sé con più forza gli elettroni condivisi, caricandosi negativamente, mentre gli atomi di idrogeno, privati par- zialmente della carica elettronica, assumono una polarità elettrica positiva.
Si comporta un po’ come una calamita, che attrae i poli opposti di altre calamite.
Dato che cariche opposte si attraggono, l’acqua ha la capacità di legarsi e di strappare alle strutture cristal- line quelle molecole che sono anch’esse polarizzate e questo è la causa della sua attitudine a creare soluzioni acquose con altre molecole polari rompendone i più deboli legami molecolari.
D’altra parte, essendo le molecole di acqua fortemente polarizzate, esse si attraggono anche tra loro.
Questo fatto è causa della particolare caratteristica del ghiaccio di essere meno denso dell’acqua allo stato liquido, all’inverso di quanto avviene per gli altri materiali.
Da qui il motivo per cui gli iceberg galleggiano nel mare come cubetti di ghiaccio.
La loro densità è minore di quella dell’acqua liquida, motivo per cui, se mettiamo una bottiglia di vetro piena d’acqua chiusa in congelatore, questa si rompe durante il congelamento dell’acqua e allo stesso modo d’inverno le tubature dell’acqua rischiano di rompersi.
La causa di ciò deriva dal fatto che, raff reddando l’acqua, la vibrazione delle molecole diminuisce consenten- do alle forze intermolecolari di organizzare la struttura del liquido in cristalli di ghiaccio.
La molecola d’acqua è quindi una molecola polarizzata elett ricamente.
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La dilatazione dell’acqua
Tale struttura tridimensionale dipende dalla forza elettrica e dalla disposizione reciproca nello spazio degli atomi di ossigeno e di idrogeno.
Si dà il caso che la particolare struttura geometrica cristallina del ghiaccio occupi più spazio di quanto non accada per l’acqua liquida determinando così una minore densità del ghiaccio.
Un po’ come un castello di sabbia che resiste nella sua forma con torri, guglie e cavità e che si riduce a un mucchietto basso e informe se mettiamo in vibrazione violenta il terreno sotto di esso.
Esso cioè perde struttura a causa dell’energia vibrazionale che disorganizza la disposizione tra i granelli di sabbia.
I legami idrogeno tra le molecole d’acqua sono responsabili anche dell’altissimo punto di ebollizione (100
°C) rispetto a molecole di peso molecolare analogo o superiore.
Essendo le molecole d’acqua legate tra loro da legame a idrogeno, esse si aggregano in agglomerati di più molecole ed è più diffi cile strapparle via dalle altre riscaldandole poiché esse delocalizzano gli atomi di idrogeno più leggeri e quindi più veloci all’interno dell’aggregato molecolare e sono legate le une alle altre da molti legami idrogeno contemporaneamente.
Questo rende le molecole di acqua più simili a una macromolecola dal peso molecolare molto maggiore e quindi più diffi cile da fare evaporare.
Il coeffi ciente di dilatazione dell’acqua
Fatta eccezione per l’intervallo di temperature che va da 0 a 4 gradi Celsius per il quale vale il discorso del ghiaccio meno denso del liquido, anche l’acqua si comporta se scaldata come gli altri liquidi isotropi.
Riscaldando un liquido si immette energia cinetica nelle molecole che cominciano a vibrare con maggiore energia così da contrastare maggiormente i legami molecolari.
Le molecole cioè aumentano la loro distanza media in ogni direzione occupando più spazio.
Il volume aumenta all’aumentare della temperatura in ragione di una costante di dilatazione termica k propria del materiale riscaldato.
Δ V=kV0Δ T
con k costante di dilatazione tridimensionale.
