Perché il ghiaccio galleggia nell'acqua? - George Zaidan and Charles Morton

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L'acqua è una sostanza speciale per svariate ragioni, e potreste averne notato una importante nel vostro drink freddo: il ghiaccio. Il ghiaccio solido galleggia nell'acqua liquida, il che non è vero per la maggioranza delle sostanze. Ma perché? George Zaidan e Charles Morton spiegano la scienza dietro al come i legami idrogeno mantengono a galla il ghiaccio (e le calotte polari).

Lezione di George Zaidan e Charles Morton, animazione di Powerhouse Animation Studios Inc.

L'acqua è il liquido della vita.

Lo beviamo,

ci facciamo il bagno,

lo usiamo per coltivare la terra,

per cucinare

e per pulire le cose.

È la molecola più abbondante nei nostri corpi.

Infatti, tutte le vite di cui siamo a conoscenza

morirebbero senza l'acqua.

Ma, cosa più importante: senza l'acqua

non avremmo avuto

il tè freddo.

Mmmm, il tè freddo.

Perché questi cubetti di ghiaccio galleggiano?

Se fossero cubetti di argon solido

in una tazza di argon liquido,

affonderebbero.

E lo stesso vale per la maggioranza delle altre sostanze.

Ma l'acqua solida, altrimenti conosciuta come ghiaccio,

è in qualche modo meno densa dell'acqua liquida.

Com'è possibile?

Sapete già che ogni molecola di acqua

è composta da due atomi di idrogeno

legati a un atomo di ossigeno.

Diamo uno sguardo ad alcune delle molecole

presenti in una goccia di acqua

e diciamo che la temperatura è di 25 gradi Celsius.

Le molecole si piegano,

si allungano,

piroettano,

e si muovono nello spazio.

Ora, abbassiamo la temperatura,

il che riduce l'ammontare di forza cinetica

in ciascuna di queste molecole

in modo che si pieghino, si allunghino, piroettino e si muovano di meno.

E questo vuol dire che in media

occupano meno spazio.

Ora, voi pensereste che quando l'acqua liquida

inizia a congelarsi,

le molecole si ammasserebbero

sempre più vicine le une alle altre,

ma non è quello che avviene.

L'acqua ha uno speciale tipo

d'interazione tra le molecole

che la maggioranza delle altre sostanze non ha,

ed è chiamato legame idrogeno.

Ora, ricordate che in un legame covalente

due elettroni vengono condivisi,

generalmente in maniera non eguale,

tra gli atomi.

In un legame idrogeno,

un atomo d'idrogeno viene condiviso, anch'esso in maniera ineguale,

tra gli atomi.

Un legame idrogeno ha questo aspetto.

Due appaiono in questa maniera.

Ed eccone tre

e quattro

e cinque,

sei,

sette,

otto,

nove,

dieci,

undici,

dodici.

Potrei continuare all'infinito.

In una singola goccia di acqua,

i legami d'idrogeno formano reti estese

tra centinaia, migliaia, milioni,

miliardi, trilioni di molecole,

e questi legami si rompono e riformano continuamente.

Ora, torniamo alla nostra acqua quando si raffredda.

Sopra i 4 gradi centigradi Celsius,

la forza cinetica delle molecole di acqua

mantiene interazioni molto ravvicinate tra di loro.

I legami idrogeno si formano e si rompono

come le storie d'amore alle scuole superiori,

il che vuol dire velocemente.

Ma sotto i 4 gradi,

l'energia cinetica delle molecole di acqua

inizia a abbassarsi sotto il livello di energia

dei legami idrogeno.

I legami idrogeno si formano quindi molto più di frequente

rispetto a una loro rottura

e strutture bellissime iniziano a emergere

da questo caos.

Ecco come l'acqua solida, il ghiaccio,

appare a livello molecolare.

Notate che la struttura ordinata e esagonale

è meno densa della struttura disordinata

dell'acqua liquida.

E voi sapete che se un oggetto è meno denso

del fluido in cui è immerso,

galleggerà.

Quindi, il ghiaccio galleggia nell'acqua,

e quindi?

Beh, consideriamo un mondo senza il ghiaccio galleggiante.

La parte più fredda dell'oceano

sarebbe il fondale buio come la pece dell'oceano,

una volta congelato, rimarrebbe congelato.

Dimenticatevi i sandwich di aragosta

dato che i crostacei perderebbero i loro habitat

o il sushi dato che le foreste di kelp non crescerebbero.

Cosa farebbero i bambini canadesi d'inverno

senza i laghi ghiacciati su cui praticare l'hockey o la pesca sul ghiaccio?

E dimenticatevi l'Oscar a James Cameron

perché il Titanic sarebbe giunto sano e salvo a destinazione.

Dite addio alle calotte di ghiaccio nei poli terrestri

capaci di riflettere quella luce

che altrimenti arrostirebbe il pianeta.

Dimenticatevi infatti gli oceani come oggi li conosciamo,

che coprendo oltre il 70% della superficie terrestre,

regolano l'atmosfera dell'intero pianeta.

Ma cosa peggiore di tutte,

non ci sarebbe il tè freddo.

Mmmmmm, il tè freddo.