Composizione chimica del ghiaccio

In questo appunto di chimica si tratta della struttura del ghiaccio dovuta al ponte idrogeno tra le molecole d'acqua. Vediamo l’importanza di questo legame inter-molecolare che influisce sulle caratteristiche dello stato solido e di quello liquido, e determina le proprietà fisiche dell’acqua.

Molecola polare dell'acqua

L’acqua è la sostanza che più caratterizza il nostro pianeta rispetto a tutti gli altri del sistema solare. Molti fenomeni naturali di estrema importanza da quelli meteorologici, all’origine di alcuni tipi di rocce, all’erosione delle catene montuose e a tutti i fenomeni che interessano più o meno direttamente gli esseri viventi, dipendono dalle proprietà fisiche e chimiche dell'acqua.
Per comprendere le incredibili proprietà di questa sostanza occorre analizzare le caratteristiche della sua molecola.
Una molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno O legato a due atomi di idrogeno H, e la sua formula chimica è

[math]H_2O[/math]

. Ciascun atomo di idrogeno è legato all'atomo di ossigeno mediante un legame covalente polare per via della differenza di elettronegatività esistente tra i due elementi. In pratica l’ossigeno e l’idrogeno attirano verso di sé la coppia elettronica di legame in maniera differente perciò il doppietto elettronico è più spostato verso l'elemento elettronegativo che ta i due è l’Ossigeno e, quindi, questo determina un accumulo di carica negativa indicata con , in corrispondenza dell’atomo di ossigeno e un accumulo di carica positiva, indicata con , sugli atomi di idrogeno. Questa distribuzione parziale di carica elettrica spiega la definizione di molecola polare. Un’altra caratteristica che influisce sulla polarità è la geometria della molecola, cioè la disposizione dello spazio dei suoi legami. La molecola dell’acqua è planare, possiamo immaginare i tre atomi disposti ai vertici di un triangolo isoscele aperto alla base. Gli idrogeni sono ai due vertici della base, l'ossigeno si trova nel vertice opposto. I due legami covalenti polari hanno la direzione dei due lati obliqui del triangolo, e l'angolo che formano ha un’ampiezza di circa 105°.

Per ulteriori approfondimenti sui legami chimici vedi qua

Legame a idrogeno tra molecole d’acqua

L’acqua è presente sul nostro pianeta nei tre stati di aggregazione: liquido, solido e aeriforme. Allo stato aeriforme le molecole sono distanti l'una dall'altra e non vi è alcuna interazione; allo stato liquido le molecole sono invece molto più vicine e interagiscono l'una con l'altra. La presenza delle cariche parziali positive sull’idrogeno e negative sull’ossigeno fa in modo che le molecole si orientino così da rendere più efficaci le attrazioni elettrostatiche. Queste forze sono chiamate del tipo interazioni dipolo-dipolo. C’è però un’altra forza che attrae le molecole d’acqua ed è molto più intensa di quella dell'interazione tra i dipoli ma è contemporaneamente minore rispetto al legame covalente. Quest’altra interazione prende il nome di legame idrogeno o ponte idrogeno: si tratta di un legame intermolecolare che si instaura tra gli atomi di idrogeno di una molecola e gli atomi di ossigeno delle molecole vicine. Ogni molecola d’acqua si lega tramite ponte idrogeno ad altre quattro molecole creando una struttura tetraedrica le cui facce sono dei triangoli equilateri. Questa configurazione geometrica si ripete in tutto il liquido formando una sorta di reticolo tridimensionale mobile caratterizzato da legami che si formano e si rompono in continuità.

Per ulteriori approfondimenti sugli stati di aggregazione e passaggi di stato vedi qua

Densità del ghiaccio minore dell’acqua liquida

Nel ghiaccio, che è acqua allo stato solido, le singole molecole sono tenute in sede da legami a idrogeno. Quando la singola molecola si lega ad altri quattro e questo si ripete per tutte le molecole che costituiscono la massa liquida, formano il reticolo che è mobile finché l’acqua si trova allo stato liquido. Abbassando la temperatura e quindi sottraendo calore al liquidò, si ha solidificazione, l’acqua liquida si trasforma in ghiaccio, il reticolo non è più mobile e al suo interno le molecole occupano posizioni fisse. Nonostante siano tenute saldamente in sede, le molecole non sono stipate in modo così stretto come nell’acqua allo stato liquido. In altre parole, l’acqua allo stato solido ha densità minore rispetto allo stato liquido: è per questo motivo che il ghiaccio galleggia.
Pensa a quali sarebbero le conseguenze biologiche se il ghiaccio si inabissasse nell’acqua. Gli stagni gelerebbero e il ghiaccio affonderebbe fino a dare origine a un unico blocco ghiacciato che ucciderebbe la maggior parte dei pesci e degli altri organismi. Inoltre, una volta che lo stagno si fosse completamente gelato, la sua temperatura scenderebbe ben al di sotto del punto di congelamento dell’acqua.
Nella realtà, al contrario, il ghiaccio galleggia formando sulla superficie dello stagno uno strato isolante protettivo che riduce il flusso di calore verso l’aria fredda sovrastante. Perciò i pesci, le piante acquatiche e gli altri organismi di uno stagno non vengono esposti a temperature inferiori a 0°C.

Per ulteriori approfondimenti sulla densità e peso specifico dei corpi vedi qua

Legame a idrogeno e altre proprietà fisiche dell’acqua

L'acqua è una sostanza indispensabile per tutte le forme di vita: il corpo umano, quello degli animali e quello dei vegetali è costituito in gran parte proprio da acqua. Numerosi Infatti sono gli organismi che vivono nell'acqua sia nei mari che nelle acque dolci su tutta la superficie della Terra. L'acqua si trova principalmente allo stato liquido: mari, laghi, e fiumi ricoprono oltre il 70% della superficie terrestre.
La formazione di legami a idrogeno tra le molecole dell'acqua determina le proprietà di questa sostanza meravigliosa.
Esaminiamo allora quali sono e in che modo il ponte idrogeno le influenza.
Perché alcuni insetti riescono a camminare sull'acqua?
La tensione superficiale provoca il fenomeno per cui sembra che sulla superficie dell’acqua sia presente una specie di pellicola trasparente ed elastica; è una conseguenza della formazione dei legami a idrogeno tra le molecole in superficie e quelli sottostanti. Molti insetti acquatici sfruttano questa proprietà per i loro spostamenti sul pelo dell’acqua.
La capillarità è il risultato delle interazioni che si stabiliscono tra le molecole d’acqua e tra queste ultime e le molecole delle diverse sostanze con cui vengono a contatto. Grazie alla capillarità l’acqua è in grado di muoversi in spazi piccolissimi e risalire lungo tubi sottili, le piante infatti assorbono l’acqua con le radici e la trasferiscono a tutte le parti del fusto e delle foglie proprio grazie alla capillarità.

Calore specifico dell’acqua

La presenza di legami a idrogeno fornisce una spiegazione del modo in cui l’acqua risponde alle variazioni di temperatura. L’acqua esiste in tre forme, che differiscono per il grado di formazione di legami a idrogeno: gas o vapore, liquido e solido ovvero il ghiaccio. Ogni qualvolta l’acqua passa da uno stato di aggregazione all’altro i legami idrogeno si rompono e si riformano; quando l’acqua bolle molti legami si spezzano causando la formazione del vapore, che consiste in minuscole gocce d’acqua. Se successivamente la maggior parte dei legami rimanenti si rompe, le molecole iniziano a muoversi più liberamente come vapore d’acqua. Le molecole di acqua allo stato liquidò formano, rompono e riformano continuamente legami a idrogeno. Nel ghiaccio, ogni molecola di acqua forma quattro legami a idrogeno con le molecole adiacenti, dando origine ad una struttura cristallina regolare.
L’aumento di temperatura di una sostanza comporta un maggiore apporto di energia termica che fa muovere le sue molecole con più velocità, cioè gli aumenta l’energia cinetica . Alcuni dei legami a idrogeno che tengono insieme le molecole d’acqua devono essere i frutti per permettere alle molecole di muoversi più liberamente. Quando l’acqua liquida diventa ghiaccio, si devono formare legami idrogeno aggiuntivi, rendendo le molecole meno libere di muoversi e liberando così nell’ambiente una gran quantità di calore.
La formazione dei legami a idrogeno tende a limitare il movimento delle molecole d’acqua, per innalzare la sua temperatura e necessario aumentare l’energia cinetica delle sue molecole, ma per poterlo fare bisogna prima rompere i legami a idrogeno tra esse. Per questo motivo il calore specifico dell’acqua ha un valore elevato e ciò determina la sua resistenza ai cambiamenti di temperatura. Questa caratteristica contribuisce a mantenere costante la temperatura interna degli organismi viventi ma anche quella del nostro pianeta. A causa del suo elevato calore specifico l’acqua dei mari si riscalda e si raffredda più lentamente rispetto al terreno o alla roccia, determinando così le brezze. Il processo di raffreddamento lento da parte delle grandi masse acquatiche agisce sul clima rendendolo più mite come nell'ambiente mediterraneo.

Per ulteriori approfondimenti sull'energia cinetica vedi qua

Calore specifico del ghiaccio

Il calore specifico di una sostanza esprime la quantità di calore necessaria per elevare di 1 °C la temperatura di 1 kg di quella sostanza. Il calore specifico si indica con la lettera minuscola

[math]c[/math]

espresso in calorie, per l’acqua vale:

[math]c=1cal/g/1°C[/math]

.

La maggior parte delle altre sostanze comuni, come i metalli, il vetro e l’alcol etilico, ha valori di calore specifico molto più bassi. Per esempio il calore specifico dell’alcol etilico è di

.
Il calore specifico del ghiaccio, esprime dunque la quantità di calore necessaria per variare sempre di 1 °C la temperatura di 1 kg di ghiaccio e questo valore dipende dalla temperatura e dalla pressione dell’ambiente circostante. In particolare per il ghiaccio si considerano i seguenti valori di pressione (p) e temperatura (T): per la pressione atmosferica si considera come valore di riferimento 100 kPa (kiloPascal), e per la temperatura quella di 0 °C che è proprio la temperatura di solidificazione dell’acqua.
A queste condizioni il calore specifico del ghiaccio è di .
Il calore specifico può essere misurato sia in Joule che in calorie e kilocalorie esprimendo e la temperatura in gradi kelvin:
Abbiamo quindi anche i seguenti valori nelle diverse unità di misura:

Quando il calore specifico è elevato significa che per innalzare la temperatura è necessario l’apporto di tanto calore così come l’abbassamento di temperatura determina la perdita di molto calore, quello che accade nelle grandi masse oceaniche.
Per ulteriori approfondimenti sulla pressione vedi qua