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I misteri di una molecola d'acqua I misteri di una molecola d'acqua CHIUNQUE sia stato esposto a una rudimentale lezione di chimica dovrebbe sapere che la molecola dell'acqua è composta da due atomi di idrogeno (H) legati ad un atomo di ossigeno (O), la sua formula è dunque H2O. Tutti gli organismi viventi sono composti da circa 70-90 per cento di acqua, in peso. Molti pensano all'acqua come a un liquido inerte, un substrato che riempie gli spazi interni degli organismi. In realtà l'acqua è un composto chimico altamente reattivo, dotato di proprietà poco comuni, che rendono possibile il funzionamento delle cellule e la nostra sopravvivenza. Quasi tutti i liquidi conosciuti di natura organica, quali l'alcol, il benzene o il cloroformio bollono e congelano a temperature più basse di quelle dell'acqua. Il calore di vaporizzazione indica la quantità di energia necessaria per separare le molecole del liquido e portarle a grandi distanze trasformandolo in un gas. Questo calore va fornito durante l'ebollizione. Per l'acqua esso ha un valore molto elevato, un fatto importante che implica l'esistenza di intense forze residue tra le molecole. Queste possono venire rapportate al legame chimico tra gli atomi che le compongono. Entriamo dunque dentro la molecola di acqua e esaminiamone la struttura. L'atomo di ossigeno ha otto elettroni legati a un nucleo. Questo nucleo, nell'isotopo più comune è formato a sua volta da otto protoni e da otto neutroni. Due degli elettroni sono legati in una orbita o corteccia interna enon partecipano assolutamente alle reazioni chimiche. Altri due giacciono in una corteccia più esterna, pure inerte, e infine gli ultimi quattro formano una terza corteccia incompleta che è responsabile del comportamento chimico dell'ossigeno. Non è possibile aggiungere o spostare elettroni in una corteccia completa, il principio di esclusione di Pauli lo vieta. Possiamo invece aggiungere altri due elettroni alla corteccia esterna completandola. Questo è quanto avviene nel neon, che è chimicamente inerte. Portando l'ossigeno a contatto con due atomi di idrogeno, formati ciascuno da un protone legato a un elettrone, avviene una reazione chimica in cui l'ossigeno si appropria degli elettroni dell'idrogeno formando una corteccia completa. In realtà, avviene che la «nuvola» elettronica attorno all'idrogeno viene parzialmente risucchiata attorno all'ossigeno in una configurazione più stabile. Come conseguenza rimane una carica positiva scoperta nell'idrogeno e se ne forma una negativa in eccesso nell'ossigeno. E poiché cariche opposte si attraggono, tutti gli atomi citati finiscono per trovarsi legati tra di loro. La configurazione finale ha una forma a «V» ed è curiosamente asimmetrica. I due atomi di idrogeno sono legati attorno all'ossigeno con un angolo relativo di circa 104°. Ogni atomo H dista circa un decimllloneslmo di millimetro (Angstrom) dall'atomo O. Se. due molecole di acqua si avvicinano, gli atomi H della prima attraggono gli atomi 0 della seconda e respingono gli atomi H di questa. Ciò induce la molecole a una complicata danza in cui ciascuna tenta di esibire 1 propri atomi H davanti agli atomi O della altra. Per queste ragioni la struttura dell'acqua liquida è estremamente complessa. Quasi certamente le forze reciproche legano tra di loro le molecole vicine formando delle strutture sopramolecolari. Riscaldando l'acqua, l'agitazione termica forma e distrugge conti¬ nuamente queste strutture, quando si giunge all'ebollizione le molecole singole sfuggono dal liquido e riempiono l'aria piccole V. Raffreddando l'acqua, prende invece il sopravvento la forza tra molecole e queste vengono costrette in file regolari, si ottiene il reticolo cristallino dei ghiaccio e l'Infinita varietà dei cristalli di neve. La struttura e simmetria del reticolo del ghiaccio dipende dalla pressióne e temperatura a cui viene portato. In condizioni estreme si formano altri tipi di reticoli di ghiaccio con simmetria diversa da quella usuale. "In un divertente libro di fantascienza e di satira politica (The Cafs cradle, la culla del gatto) Kurt Vonnegut immagina uno scienziato matto, che provoca la fine del mondo inventando un nuovo tipo di ghiaccio (il ghiaccio 9). Un piccolo cristallo di «Ice nine« catalizza la trasformazione dell'acqua dei mari in «ghiaccio nove» in tutto il mondo. Spero proprio che l'Inveì ' zione di Vonnegut non esca dal libro. Introduciamo ora una carica elettrica isolata nell'acqua essa attrae, se negativa, tutti gli.atomi H respingendo gli O. Gli atomi H positivi si affollano attorno al- ■ la carica, facendola sembrare meno negativa. Dunque l'acqua ha anche funzione di schermaggio delle cariche elettriche, essa si polarizza attorno a esse, impedendo che si sentano le forze elettriche con la intensità usuale. Dunque; l'acqua influenza e indebolisce le forze tra atomi, favorendone la separazione. E proprio per questa ragione l'acqua è un ottimo solvente e riveste un ruolo fondamentale in tutti i meccanismi biologici. Vorrei finire accennando all'esistenza di isotopi dell'idrogeno, il deuterio e il tritio formati rispettivamente da nuclei contenenti uno 0 due neutroni in più. oltre al protone. Le loro proprietà chimiche sono quasi identiche a quelle dell'idrogeno normale e si combinano con l'ossigeno formando acqua «pesante». > L'acqua deuterata si trova in natura mescolata in piccola percentuale a quella ordinarla, in queste condizioni è innocua. Se bevessimo solamente acqua pesante purissima finiremmo av¬ velenati, i delicati meccanismi biologici finiscono per accorgersi della lieve differenza e ne risentirebbero Soltanto certi organismi primitivi, come le alghe, riescono a sopravvivere. Evitate dunque di bere per snobismo acqua pesante, è più cara dello champagne e non ha lo stesso sapore. Tullio Regge