Comprendere le proprietà dell’acqua è fondamentale in ambito scientifico, dato che esse influenzano in modo profondo i processi chimici e fisici indispensabili per gli organismi viventi.
Un importante passo in avanti è stato compiuto dai ricercatori dell’Istituto per i Processi Chimico-Fisici del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ICPF-CNR) e dell’Università di Messina, insieme ai colleghi dell’Arizona State University.
Lo studio dei ricercatori si poneva l’obiettivo di capire l’effetto dei campi elettrici sull’acqua, in quanto fino ad oggi è noto solamente che le interazioni tra questi campi elettrici locali intensi condizionano il comportamento della materia a livello molecolare.
Il risultato, pubblicato sul Journal of Chemical Physics, è stato la prima mappa 3D delle molecole d’acqua, ottenuta attraverso simulazioni al supercomputer. Più nel dettaglio, i ricercatori hanno scoperto che le molecole d’acqua si dispongono parallelamente alle linee del campo elettrico se sottoposte all’influenza di campi elettrici intensi.
La scoperta consentirà quindi di studiare più nel dettaglio le interazioni tra le molecole all’interno dei processi biologici, in cui gli effetti dei campi elettrici sono notoriamente rilevanti.
Le proprietà dell’acqua che rendono speciale le molecole di H2O
Lo studio dei ricercatori italiani e americani dimostra ancora una volta quanto sia importante arrivare a conoscere sempre meglio le proprietà delle molecole di H2O. Infatti, è proprio la struttura della molecola dell’acqua che determina il comportamento chimico, fisico e biochimico di questa preziosa risorsa.
Com’è noto, una molecola di H2O è composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, disposti con una struttura tridimensionale a forcella che, attraverso le forze di repulsione e attrazione esercitate dalle coppie di elettroni dell’ossigeno non condivise, ha un angolo di legame di 104,5° (in condizioni normali dovrebbe essere di 109°).
Un’altra peculiarità della molecole d’acqua sono le dimensioni ridotte, infatti con un diametro di soli 0,2 nanometri è così piccola che all’interno di una goccia sono presenti fino a mille miliardi di molecole d’acqua.
La molecola di H2O è anche un dipolo elettrico, in quanto possiede poli di carica opposta ed è quindi elettricamente neutra, inoltre ha un’elevata tensione superficiale e capillarità, ossia la capacità di scorrere in spazi molto ristretti, come per esempio le fenditure di pochi millimetri delle rocce.
L’acqua ha anche un’alta capacità termica, superiore a quella dell’alcol e del ferro, per questo motivo per aumentare la sua temperatura serve molta energia. La polarità consente all’acqua di essere un solvente piuttosto versatile, ovvero in grado di dissolvere varie sostanze come i minerali presenti nelle rocce sotterranee.
Una particolarità della molecola d’acqua è la sua densità che si riduce nel passaggio dallo stato liquido a quello gassoso, mentre in genere avviene il contrario. In ogni caso, questo fenomeno è osservabile quando la temperatura scende al di sotto dei 4°C.
I movimenti quantistici nell’acqua svelano ulteriori informazioni
Le diverse peculiarità e stranezze delle molecole d’acqua potrebbero essere spiegate dall’osservazione dei movimenti quantistici delle molecole di H2O.
A cercare di svelare alcuni segreti dell’acqua sono stati i ricercatori dello Slac National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia dell’Università di Stanford e dell’Università di Stoccolma, i primi a riuscire a vedere questi movimenti dell’acqua nelle molecole eccitate da una luce laser.
In particolare, questa tecnica ha permesso agli scienziati di vedere i legami idrogeno, ossia le forze che tengono insieme la rete che si crea tra le molecole vicine tra loro a causa della polarità dell’acqua.
La creazione di due poli, infatti, avviene perché i due atomi di idrogeno condividono i loro elettroni con l’atomo di ossigeno, un fenomeno che crea un polo leggermente positivo e uno negativo. Lanciando degli impulsi di elettroni verso dei piccolissimi getti d’acqua, i ricercatori hanno immortalato questi legami attraverso una speciale fotocamera elettronica.
In pratica, quando si usa dell’energia sulle molecole d’acqua queste iniziano a vibrare, con gli atomi di idrogeno che attraggono gli atomi di ossigeno vicini e poi li respingono per effetto dell’impulso energetico.
Studi come questo e quello dei ricercatori dell’ICPF-CNR sono fondamentali per comprendere meglio le proprietà dell’acqua, per esempio per capire come l’H2O ha dato origine alla vita e permette la sopravvivenza sul Pianeta, ma anche per mettere a punto delle nuove forme di energia rinnovabile.
Foto di rony michaud da Pixabay
