La danza dell'acqua

Quando beviamo un sorso d’acqua, con questa certa quantità di dissetante liquido immettiamo nel nostro corpo qualcosa dell’ordine di un milione di miliardi di miliardi di molecole per l’appunto di acqua. Fin da piccoli ci è stato spiegato che l’acqua è qualcosa che si può pensare composta di questi minuscoli grani di materia che – se insistiamo a suddividerli – non sono più acqua ma i suoi costituenti chimici fondamentali: due atomi di idrogeno per ogni atomo di ossigeno, H2O. Fin qui tutto chiaro: ci sono molecole di infinite varietà, tutte basate su numeri variabili di atomi presi da una “raccolta” (la famosa tabella di Mendeleev) di 92 specie differenti, dall’idrogeno (il più leggero della famiglia) all’uranio (il più massiccio). Una specie di gioco del Lego della natura, nel quale invece che pochi tipi differenti (ma tanti di numero) di blocchetti colorati, che ci permettono di costruire palazzi, treni, montagne di plastica, vi sono per l’appunto atomi che servono per assemblare tutto ciò che di materiale esiste nell’universo.

Com’è fatta però, più in dettaglio, una molecola? Come possiamo immaginarcela su basi scientifiche, ovvero oltre la grafica dei libri di scuola che ci ricorda, pensando all’acqua, una specie di testa di Topolino (l’ossigeno), con le orecchie che raffigurano gli atomi di idrogeno? È un’immagine realistica?

Anzitutto: qualsiasi molecola, acqua inclusa, come appena ricordato è formata da atomi che in qualche modo sono uniti fra di loro. La colla che permette questa coesione è di natura complessa ma trova le sue spiegazioni fondamentali nella forza elettrica che agisce fra corpi carichi. Un atomo è fatto da elettroni (carichi negativamente) e nuclei (carichi positivamente). L’atomo singolo è tipicamente neutro elettricamente, cioè il bilancio fra cariche positive e negative è perfettamente pareggiato. Se però si avvicinano due atomi fra di loro, molte cose possono accadere: quella che qui ci interessa maggiormente è la tendenza dei due a modificare la loro distribuzione di carica elettrica in modo tale che la suddetta neutralità, pur continuando a esistere, è in una certa misura sopraffatta dalla diversa disposizione della carica all’interno degli atomi presi separatamente. In altre parole: se si immagina all’inizio – nel caso dell’atomo singolo – una distribuzione di carica perfettamente simmetrica (elettroni negativi che “schermano” senza pietà il nucleo centrale), questa simmetria viene meno se si avvicina un altro atomo al primo: la carica positiva di uno attira a sé quella negativa dell’altro, e viceversa. Risultato: la simmetria non c’è più e gli atomi si comportano un po’ come due cariche di segno opposto, e si attirano (in realtà più che di cariche si dovrebbe parlare di “dipoli elettrici”, in questo particolare esempio, ma si può evitare questo dettaglio in una prima analisi). Il fenomeno dell’attrazione di cui si sta parlando non è però “definitivo”, cioè non è possibile avvicinare a piacimento i due atomi, che altrimenti infatti collasserebbero uno sull’altro, e addio molecola. Se si insiste troppo nel lasciare che i partner si attirino, da una certa distanza in poi cominciano invece a respingersi. Il motivo è legato alla particolare natura delle particelle (elettroni e nuclei) che costituiscono gli atomi: il loro comportamento è infatti regolato da leggi di tipo “ondulatorio”, come dettato dalla cosiddetta fisica quantistica. In base a questa natura, si scopre che le cariche atomiche sono in realtà descrivibili in termini di onde che – come tutte le onde di questo mondo – si mescolano fra di loro dando luogo a fenomeni di rinforzo o di attenuazione. Se si insiste troppo ad avvicinare gli atomi, possono prevalere fenomeni di attenuazione del carattere attrattivo di natura elettrica e, come conseguenza, è meglio per il sistema evitare un’eccessiva vicinanza fra atomi. In altre parole: grazie alle leggi di elettricità e meccanica quantistica, esiste una distanza ottimale in corrispondenza della quale i due atomi, in media, si collocano per coesistere in una molecola (“biatomica”, come si dice, ovvero formata per l’appunto da due atomi). Ne stiamo respirando, di queste molecole, nella fattispecie formate da due atomi di azoto o da due atomi di ossigeno, numeri impressionanti in ogni istante della nostra esistenza.

La distanza di cui sopra è molto piccola, per le nostre scale di misura: si tratta di frazioni di milionesimo di millimetro. Si tratta inoltre di una distanza media, come accennato: questo implica che in realtà i due atomi non se ne stanno rigidamente impalati uno al cospetto dell’altro. Sono piuttosto legati da una forza che si rivela di natura “elastica”, ossia tale da permettere ai due atomi – come se fossero legati da una molla “elettrico-quantistica” – di vibrare reciprocamente, con ritmi vertiginosamente elevati. Benché non sia questa la visione ultima del fenomeno di cui si sta parlando (siamo ancora una volta al cospetto di “movimenti quantistici”, nei quali anche le vibrazioni devono essere descritte in termini della fisica ondulatoria e non di quella newtoniana, ossia in termini di biglie e molle), possiamo farci un’immagine non del tutto impropria di una molecola biatomica pensando a vibrazioni dell’ordine di centinaia di migliaia di miliardi di oscillazioni al secondo (hertz). Un numero ancora una volta impressionante, ma che è associato a fenomeni che ricadono nell’ambito di misure e di situazioni tutto sommato di ordinaria amministrazione. Quando gli atomi di una molecola vibrano (sempre soggetti alle sunnominate regole di tipo quantistico-ondulatorio) può accadere che queste “eccitazioni” siano in grado di condurre a situazioni di assorbimento o di emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche che si collocano nella zona “infrarossa” dello spettro, ovvero quella porzione caratterizzata da lunghezze d’onda di poco maggiori di quelle caratteristiche della luce. Non si vedono, in pratica, ma si sentono, eccome. La radiazione infrarossa è quella che definisce infiniti aspetti fisico-chimici in situazioni di ogni genere e di ogni interesse, a partire da questioni legate al comportamento della nostra atmosfera (basti pensare all’utilissimo – purché in dosi appropriate – effetto serra, che è regolato proprio da scambi energetici fra molecole dell’aria e la radiazione infrarossa che è emessa da ogni corpo a temperature “ambientali”, come il nostro pianeta e le nubi – fatte di acqua).

Oltre alle vibrazioni, al cospetto di una molecola dobbiamo essere pronti a tenere in debito conto anche altri “gradi di libertà” – sempre in un contesto quantistico, ormai questo deve essere chiaro – quali sono le rotazioni del sistema. Una molecola biatomica deve essere immaginata, come già suggerito in termini classici, come costituita da una specie di manubrio con i due atomi agli estremi. Vibrazioni a parte, questo manubrio spaventosamente minuscolo può ruotare attorno a due assi (tre, in realtà, ma solo due sono interessanti per motivi tecnici) e, se lo fa, è perché ha acquistato una certa dose di energia, che può anche cedere all’ambiente, nel gioco tipico di scambi di radiazione elettromagnetica come quelli già descritti nel caso delle vibrazioni. A differenza da queste ultime, però, le rotazioni sono interessate da onde elettromagnetiche tipiche della zona dello spettro popolata dalle “microonde”. Se questo nome fa venire in mente il forno che moltissimi di noi hanno in cucina, si è sulla strada giusta. Una molecola in rotazione assorbe/cede microonde, ovvero quelle radiazioni elettromagnetiche caratterizzate da una lunghezza ancora maggiore della radiazione infrarossa (per dare i numeri: tipicamente qualcosa attorno ai millimetri o centimetri). Cosa c’entra con la cottura dei cibi? Anzitutto: le molecole non sono solamente di tipo biatomico: l’acqua, infatti, è “triatomica”, è composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, come già detto. Questa è una complicazione, nel senso che ora la molecola va immaginata come composta da più biglie e da più molle, e le vibrazioni – come pure le rotazioni – sono molto più difficili da descrivere, ovvero ci sono più gradi di libertà di movimento. Per esempio, parlando di vibrazioni, l’acqua può esibirsi secondo tre distinti tipi di “danza” o “ginnastica” che dir si voglia. Le “orecchie” di Topolino – gli atomi di idrogeno – si possono allontanare e avvicinare nelle loro vibrazioni dalla “testa” di Topolino – l’atomo di ossigeno – secondo un moto sincrono (tutti due nella stessa direzione) oppure asincrono (moti in direzioni opposte). Oppure gli idrogeni, restando più o meno alla stessa distanza fissa dall’ossigeno, si avvicinano e si allontanano fra di loro, ovvero variando l’angolo che essi individuano. Queste tre vibrazioni (che gli addetti ai lavori chiamano “stretching” e “bending” – stiramento e piegamento) assorbono/emettono infrarossi di differente frequenza, secondo regole via via più complicate quanto più complessa è la forma e la dimensione della molecola considerata. Considerazioni simili si applicano alle rotazioni delle molecole. Nell’acqua ce ne sono di tre tipi (tre sul serio, questa volta) che si nutrono di microonde. Proprio quelle giuste che vengono emesse dalla “lampada” (detta magnetron) che c’è nel forno di cucina. Queste radiazioni vengono assorbite dall’acqua contenuta nei cibi da riscaldare o da cuocere (no acqua? No effetti nel forno!) le cui molecole si mettono a ruotare pazzamente trasferendo parte della loro agitazione alle molecole vicine, il che vuol dire in media aumento di temperatura. In definitiva: vibrazioni (infrarosso) e rotazioni (microonde) sono la manifestazione diretta e tangibile del modo meravigliosamente complicato eppure compreso benissimo di esistere delle molecole di questo (e di ogni altro) mondo nell’universo.

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