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Il ghiaccio galleggia. E se non lo facesse, gran parte della vita sulla Terra non sarebbe mai cominciata.
Lo diamo così per scontato che non ci fermiamo mai a pensarci: il cubetto resta a galla nel bicchiere, la lastra su un lago ghiacciato resta in superficie, e ci sembra l’ordine naturale delle cose. Ma non è così.
Quasi ogni sostanza, quando passa allo stato solido, diventa più densa e affonda nel proprio liquido: il ferro solido cola a picco nel ferro fuso, la cera indurita sprofonda in quella sciolta. L’acqua è tra le pochissime eccezioni, e da questa eccezione dipende anche la vita sulla Terra.
1. Cosa succede quando l’acqua congela
Quando l’acqua gela, il suo volume cresce di circa il 9%. Si dilata invece di restringersi. Se hai mai dimenticato una bottiglia nel freezer sai bene come va a finire.
Vediamo perché accade.
Ogni molecola d’acqua si tiene per mano con altre quattro, attraverso i cosiddetti legami a idrogeno. Finché l’acqua è liquida, queste mani si stringono e si lasciano di continuo, in un rimescolio disordinato.
Nel momento in cui gela, invece, le molecole si bloccano in una struttura esagonale ordinata, piena di spazio vuoto. Immagina una folla che smette di accalcarsi e si dispone in un reticolo di stanze regolari, lasciando liberi i corridoi in mezzo. La stessa quantità di persone finisce per occupare più posto. All’acqua capita lo stesso: stessa sostanza, stesso peso, più volume. E siccome la densità è peso diviso volume, il ghiaccio pesa meno per ogni centimetro cubo. Ecco perché sta a galla.
Curiosità. L’acqua non è l’unica a comportarsi così. Questo capovolgimento ha persino un nome, anomalia della densità, e riguarda una manciata di sostanze in tutto. Tra gli elementi della tavola periodica si comportano così il bismuto, il gallio e il silicio, che da solidi occupano più spazio che da liquidi. Un club piuttosto ristretto, per una regola che quasi tutta la materia rispetta al contrario.
2. Un altro comportamento anomalo: a 4 °C l’acqua pesa più che mai
L’acqua comincia a comportarsi in modo inaspettato anche prima di congelare.
In teoria, da una sostanza ci aspetteremmo che più è fredda, più è densa. Quindi ipoteticamente l’acqua liquida dovrebbe avere la sua densità massima intorno agli 0 °C, appena prima di diventare solida.
Invece raggiunge la sua densità massima intorno ai 4 °C (3,98, per la precisione). Da lì in giù, mentre continua a raffreddarsi verso lo zero, ricomincia a dilatarsi.
È un braccio di ferro tra due forze. Da una parte il freddo, che compatta e avvicina le molecole. Dall’altra i legami a idrogeno, che iniziano a montare la loro impalcatura larga. Fino a 4 °C vince il freddo, e l’acqua si fa più densa. Sotto, prendono il sopravvento i legami, e l’acqua torna a gonfiarsi.
4 °C è il punto di equilibrio, l’istante in cui l’acqua è più pesante che mai.
Per spiegartela con un esempio facile, immaginati una pista da ballo affollata:
Quando fa caldo, le persone ballano caoticamente, finendo per occupare un sacco di spazio. Man mano che la musica rallenta e fa più freddo, la gente smette di agitarsi e si stringe sempre di più. A 4 °C siamo al massimo dell’affollamento: tutti sono spalla a spalla, vicinissimi, e la pista occupa lo spazio minimo possibile.
Ma appena la temperatura scende sotto i 4 °C, guarda cosa accade.
Qualcuno dice alle persone di darsi la mano a braccia ben tese per formare un cerchio perfetto. Per farlo, tutti sono costretti ad allontanarsi di nuovo l’uno dall’altro. La pista torna improvvisamente a riempirsi di spazi vuoti, anche se le persone sono sempre le stesse.
È proprio questo che fa l’acqua: a 4 °C è stretta al massimo; sotto i 4 °C, stende le braccia per prepararsi a diventare ghiaccio, occupando più spazio e diventando, di colpo, più leggera.
3. Perché i laghi non ghiacciano dal fondo
D’inverno, sotto una lastra di ghiaccio, la vita di pesci e piante acquatiche continua.
Guarda un lago quando arriva il gelo. L’aria raffredda per prima la superficie; l’acqua che è lì tocca i 4 °C, diventa la più pesante di tutte e sprofonda, spingendo verso l’alto quella più tiepida, che a sua volta si raffredda e scende. Il giro va avanti finché tutto il lago si assesta intorno ai 4 °C. Solo allora la superficie può scendere fino a zero e congelare: e quel ghiaccio, leggero, resta sopra come un coperchio che isola l’acqua dal freddo di fuori. Sotto la lastra si rimane intorno ai 4 °C, e i pesci nuotano tutto l’inverno.
Se il ghiaccio affondasse, come fa qualunque solido rispettoso delle regole, i laghi comincerebbero a gelare dal basso. Il ghiaccio si accumulerebbe sul fondo e salirebbe strato dopo strato, fino a trasformare l’intero specchio d’acqua in un unico blocco. I pesci non potrebbero sopravvivere.
E qui voglio portarti una piccola riflessione…
4. È una coincidenza che solo l’acqua si comporti così?
Perché proprio l’acqua? Tra tutte le sostanze dell’universo, perché è l’unica (o quasi) a comportarsi in questo modo così assurdo? Quasi tutta la materia, quando si raffredda, aumenta di densità e sprofonda. L’acqua no. L’acqua è l’unica casa dentro cui la vita ha trovato spazio per nascere, evolversi e respirare.
Verrebbe da dire che sia un gesto di cura, un disegno perfetto per tenerci in vita, in realtà è proprio il contrario.
L’acqua si comporta così da miliardi di anni; è la vita che, trovando un ambiente così stranamente protetto e stabile, ha avuto modo di nascere. Si è semplicemente modellata intorno alle bizzarrie della materia.
Resta il fatto che senza questa eccezione poco conosciuta, la Terra sarebbe un deserto di ghiaccio immobile, e non ci sarebbe nessuno a chiedersi il perché.
La cosa da ricordare 💡
Il legame a idrogeno delle molecole d’acqua. Quasi ogni sostanza, da solida è più densa che da liquida, quindi affonda nel proprio liquido. Il ghiaccio no, perché gelando le molecole d’acqua si dispongono in una struttura larga e piena di vuoti. Per questo galleggia, e per questo i laghi ghiacciano dalla superficie e non dal fondo, lasciando la vita acquatica al riparo sotto la crosta.
Alla prossima.
Giovanbattista
