❄️LA CHIMICA DEI CRISTALLI DI GHIACCIO ❄️

Probabilmente è il composto chimico che tutti conoscono, almeno per sentito dire. Tutti sanno che l’acqua ha come formula chimica H2O. Una molecola come tante dal punto di vista chimico, due atomi di idrogeno che si legano tramite un legame covalente con un atomo di ossigeno, ma è una molecola fondamentale per la vita per come la conosciamo. L’acqua è tra i principali costituenti degli ecosistemi ed è alla base di tutte le forme di vita conosciute, compreso l’essere umano.

Sul pianeta Terra l’acqua copre il 71% della superficie del pianeta ed è il principale costituente del corpo umano.

La molecola dell’acqua è sicuramente una molecola fondamentale per la vita e per l’intero sviluppo dell’umanità, ma tutte le fantastiche proprietà che la rendono speciale trovano spiegazione a livello atomico.

La struttura dell’acqua

L’acqua è formata da due atomi di H e un atomo di O. L’angolo di legame è circa quello della struttura tetraedrica (109°), per essere precisi un poco di meno (circa 104,5°). Il legame O-H (490 KJ/mol) è polarizzato ed ha un momento dipolare permanente.

Quando si forma una molecola di acqua, gli atomi di idrogeno si legano con l’atomo di ossigeno mediante un legame covalente polare, una tipologia di legame in cui gli elettroni sono suddivisi in maniera non eguale tra i due atomi (in questo caso a causa della maggiore elettronegatività, cioè della tendenza ad attrarre elettroni, della molecola di ossigeno).

Questa differenza nella capacità di attrarre elettroni fa si che la molecola d’acqua sia una molecola dipolare, ovvero una molecola che presenta un “dipolo”: intorno all’ossigeno è presente una carica negativa, mentre intorno agli idrogeni una carica positiva. 

Grazie alla sua particolare struttura molecolare, l’acqua possiede caratteristiche chimico-fisiche uniche tra cui:

📍 è un ottimo solvente, riesce a portare in soluzione sia sostanze ioniche sia molecole polari, inoltre è il solvente dove avvengono tutte le reazioni biochimiche all’interno del nostro corpo;

📍 proprietà come coesione, ovvero una forza che viene esercitata tra molecole dello stesso tipo, quindi tra una molecola d’acqua e l’altra, responsabile della formazione delle gocce;

Il viaggio di una goccia d'acqua (PiemonteParchi) – Scienze della materia

📍 adesione, una forza che si esercita tra molecole di tipo diverso, ovvero tra una molecola d’acqua ed un’altra molecola. Tale forza è responsabile della capacità dell’acqua di aderire ad una superficie.

📍La capillarità è un fenomeno dovuto all’effetto combinato di forze di adesione e coesione grazie al quale l’acqua può risalire le pareti di uno stretto recipiente. Grazie alla capillarità l’acqua, ad esempio, può raggiungere la cima anche degli alberi più alti.

Tra le molecole di acqua si instaura un’interazione di tipo debole, nota come legame idrogeno. Si forma tra l’idrogeno polarizzato di una molecola d’acqua e l’ossigeno di un’altra molecola d’acqua.

La natura quantistica dell'acqua, vista grazie al laser - Galileo
Rappresentazione di interazioni a idrogeno tra molecole di acqua
GHIACCIO

Ma una caratteristica peculiare dell’acqua è quando essa solidifica. Un altro comportamento anomalo dell’acqua è dato dall’aumento del volume di congelamento della massa liquida. L’acqua liquida raggiunge il massimo di densità, esattamente 1 g/cm³, a 4 °C e a partire da questo valore diventa meno densa mentre la temperatura scende verso gli 0 °C.  Quindi il passaggio allo stato solido comporta una diminuzione della densità. Questo è dovuto, sempre alla sua struttura atomica e molecolare, che permette all’acqua di avere un comportamento unico per questo tipo di proprietà (solitamente, per una certa sostanza, lo stato solido ha una densità maggiore di quello liquido. )

Nel ghiaccio tutte le molecole hanno formato il numero massimo di legami idrogeno, cioè quattro per molecola formando la struttura cristallina esagonale, che è il ghiaccio. Le molecole di acqua, nel reticolo cristallino del ghiaccio ordinario si dispongono in modo da lasciare degli spazi vuoti.

Nell’immaginario comune i cristalli di ghiaccio appaiono come strutture esagonali perfette, come nelle scene dei film natalizi, dato che siamo in periodo, però non voglio rovinare lo spirito del Natale dicendo che non esiste un solo tipo di cristallo di ghiaccio.

La loro forma dipende da alcune caratteristiche climatiche come dalla temperatura e dall’umidità. La forma finale del cristallo di neve, inoltre, ci da delle informazioni del percorso che esso fa attraverso le nuvole.

Tutte le varie forme e le caratteristiche dei cristalli di neve furono studiati e descritti dal fisico giapponese Ukichiro Nakaya, che lì classificò negli anni ’30 e oggi noi li conosciamo grazie al diagramma di Nakaya.

La 'magia' dei cristalli di neve, tra fisica e geometria

Dal grafico si evince che maggiore è l’umidità e più il cristallo sarà complesso. Con molte ramificazioni laterali. Viceversa, se il livello d’umidità è basso, ecco cadere dei semplici esagoni o dei blocchetti. Temperature alte son sinonimo di cristalli piatti, a sei lati. Man mano che il termometro scende, invece, ne vediamo di aghiformi, colonnari, e simili a stelle. Ma le conformazioni possibili sono decine. Ci son fiocchi allungati, altri schiacciati, cilindrici e triangolari. 

La natura è fantastica quando ci si mette di impegno, vero? Il motivo esatto per cui i cristalli di neve crescono in questo modo non è ancora completamente compreso, sebbene siano stati fatti molti progressi. Il comportamento di crescita del ghiaccio dipende dalla struttura molecolare e dalle dinamiche sulla superficie del cristallo.

In natura esistono più di 35 tipi di strutture di ghiaccio conosciute e la maggior parte sono asimmetriche. I dendriti stellari, sono quelli più comuni, di solito compaiono quando il clima è piuttosto freddo, circa -15 °C. Diciamo sono quelli che si vedono più spesso nei film di Natale!

Quando la temperatura è intorno a -6 °C le forme più comuni possono essere a colonna o aghi.

Esistono anche forme molto più particolari e forse meno conosciute, come quelle di colonne chiuse. Una colonna chiusa si forma quando attraversa temperature diverse man mano che cresce. 

Un fiocco di neve fotografato da Alexey Kljatov

Più insoliti come forma cristallina, sono invece i cristalli triangolari. A differenza di molte altre strutture, a causa di effetti aerodinamici si possono produrre queste simmetrie particolari.

La struttura cristallina più semplice che un cristallo di neve può avere, è quella di un prisma esagonale. I prismi esagonali mostrano l’ordine semplice e perfetto del reticolo molecolare. Questi cristalli derivano da una crescita lenta e di solito sono di piccole dimensioni.

Molto sappiamo grazie all’incredibile lavoro svolto a fine ‘800 da Wilson Bentley, un fotografo che tutti ricordano come “l’uomo dei fiocchi di neve”! Bentley raccoglieva la neve su un vassoio ricoperto di velluto, la divideva in singoli fiocchi di neve e posizionava i cristalli sul vetrino del microscopio usando un sottile strumento metallico e poi li fotografava.

Ma queste strutture così affascinanti, sono molto importanti in chimica. Infatti nel 2016 presso i laboratori del CNR di Firenze, è stata prodotta una nuova forma di ghiaccio, chiamata ‘ghiaccio XVII’. Apparentemente è identico alla neve ma la sua struttura molecolare è diversa. Secondo il ricercatore Lorenzo Ulivi: “La differenza tra queste forme sta nella struttura microscopica, cioè nella disposizione delle molecole di acqua, più precisamente, nella disposizione degli atomi di ossigeno delle molecole, che formano in ogni caso una struttura geometrica ordinata e periodica, il cosiddetto reticolo cristallino, come accade in tutti i cristalli”.

Figura della struttura cristallina del ghiaccio XVII

Ma a cosa interessa agli scienziati la struttura cristallina del ghiaccio? Bè diciamo che potrebbe avere delle implicazioni e applicazioni in campi energetici e sulla separazione dei gas, in quanto, il ghiaccio XVII assorbe con analoga facilità anche azoto e altri gas, caratteristica promettente per applicazioni nel campo della separazione industriale di gas.

La chimica è soprattutto questo, riprendendo il titolo di un celebre film del 2013 di Paolo Sorrentino, “la grande bellezza”, la chimica è il manifestarsi della bellezza della natura nelle geometrie mai uguali, ma sempre meravigliose anche in un cristallo di neve!

Dott. Francesco Domenico Nucera


FONTI:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1123896

http://www.snowcrystals.com/science/science.html

https://www.unisr.it/news/2017/12/inverno-tra-arte-e-magia-scienza-fiocchi-di-neve

The Snowflake Man: A Biography of Wilson A. Bentley

https://www.cnr.it/it/comunicato-stampa/7130/prodotta-una-nuova-forma-di-ghiaccio

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