Il mistero dell’oro blu

Spesso ciò che abbiamo di più prezioso lo diamo per scontato e ci facciamo caso solo quando viene a mancare. Per noi che viviamo nella parte fortunata del mondo, un esempio eclatante è l’acqua: siamo così abituati al fatto che ce ne sia in abbondanza, virtualmente infinita secondo il nostro sentore, che fatichiamo a capire cosa voglia dire vivere senza acqua corrente in casa e magari dover fare dieci chilometri al giorno per procurarsene un po’ e poi razionarla nel corso della giornata. Ma il cambiamento climatico indotto dall’azione dell’uomo sta rendendo questi problemi sempre più vicini alla nostra quotidianità, come la siccità dell’ultima estate ha dimostrato in modo inequivocabile. Questo composto dalla forma semplicissima H₂O ci è così familiare che ci pare di non dover andare oltre la conoscenza del ciclo dell’acqua che ci è stato insegnato a scuola e all’esperienza dei suoi passaggi di stato che sperimentiamo quando prendiamo il ghiaccio dal freezer o mettiamo a bollire l’acqua per la pasta o ci si forma la condensa sui vetri delle finestre d’inverno. Ci hanno anche insegnato che più o meno il 70% del nostro corpo è fatto d’acqua; potremmo aggiungere che più o meno il 70% della Terra è ricoperto d’acqua e che più o meno il 70% dell’acqua dolce che l’umanità usa è per scopi agricoli. Ma basta questo per dire che conosciamo l’acqua? In realtà l’acqua è una delle sostanze più strane che si conoscano… Durante la stagione estiva, per noi fortunati abitanti della parte ricca del mondo, l’esperienza che abbiamo dell’acqua si amplia con i soggiorni sulle spiagge, con conseguenti bagni di mare. Nulla di più naturale per noi che tuffarci nelle acque tipicamente tiepide, ma non calde, dei nostri mari, per avere un po’ di refrigerio dalla canicola. Ma l’acqua con cui abbiamo a che fare al mare non è quella, non a caso chiamata dolce, che usiamo normalmente per bere, lavarci e soprattutto irrigare i campi. È “salata”, anche se sarebbe più corretto dire “salmastra”. Questa caratteristica dell’acqua marina è legata a un’anomalia dell’acqua rispetto ai liquidi “normali”: l’acqua è un solvente e questo vuol dire che molti altri composti, se immersi nell’acqua, tendono a essere scomposti e a dissolversi in composti più elementari che si disperdono nell’acqua stessa. Pensiamo al sale o allo zucchero che, una volta messi in un bicchiere d’acqua, sembrano svanire ma in realtà si sono disciolti nel prezioso liquido. Questa caratteristica è legata alla geometria della molecola d’acqua che è formata da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno in modo che l’angolo HOH sia di 104,52°. Questa non è una cosa comune: altri composti di tre atomi, come la famigerata CO₂, sono disposti “in fila”, linearmente; ma le leggi della meccanica quantistica per gli atomi di idrogeno e ossigeno implicano invece una geometria “triangolare”. Gli schemi che ci mostrano gli atomi come palline legate con delle lineette fra loro sono ovviamente una semplificazione: per dirne una, gli atomi vibrano e lo fanno anche quando sono legati a formare le molecole. Così, ciascuno dei due legami H-O fra uno dei due atomi di idrogeno e l’atomo di ossigeno va visto come una specie di molla, con i due atomi che si allontanano e poi si riavvicinano ripetutamente. Questo movimento è tanto più veloce quanto più la temperatura è alta. Di più, gli atomi di idrogeno vibrano in modo da avvicinarsi e poi allontanarsi e così via, in maniera che l’angolo di 104° alternativamente si restringa e si riallarghi un po’. Un’altra conseguenza della geometria della molecola d’acqua è che gli elettroni dei suoi atomi, le cariche negative, non sono uniformemente distribuiti. Gli elettroni non vanno pensati come satelliti intorno al nucleo, ma come delle “nuvole” che avvolgono il nucleo stesso. Le nuvole dei tre atomi della molecola d’acqua formano un’unica nuvola che circonda la molecola e, sempre per degli effetti quantistici, le cariche sono concentrate nei vertici del triangolo formato dai tre atomi, una positiva in ciascun atomo di idrogeno e due negative nell’atomo di ossigeno. Questa asimmetria fa sì che molecole d’acqua tendano ad attrarsi fra loro, formando un “legame idrogeno” che è ovviamente meno forte del legame fra gli atomi di una singola molecola, ma abbastanza forte da consentire una aggregazione di molecole d’acqua che per essere spezzata richiede una certa energia. Semplificando, la doppia carica del vertice O nel triangolo HOH di una molecola attrae due singole cariche dei vertici H di due altre molecole e così via. Quindi l’acqua ha una coesione maggiore rispetto ad altri liquidi. In molti documentari abbiamo visto insetti camminare sull’acqua, grazie al fatto che la superficie dell’acqua sembra avere una pellicola data proprio dalla coesione delle sue molecole dovuta al “legame idrogeno”: nessun liquido ha una simile tensione superficiale. A ben vedere, alle temperature tipiche della superficie terrestre, nessun liquido è realmente un liquido ma un gas. La tensione superficiale invece consente all’acqua di rimanere allo stato liquido anche dove liquidi che hanno una composizione altrettanto semplice, come l’acido solfidrico (H₂S) che diviene liquido solo a meno di -60° C, sono invece gassosi per via della temperatura. Se l’acqua non avesse queste caratteristiche, conseguenza della sua geometria molecolare, la Terra sarebbe arida e avvolta dal vapore acqueo, con un effetto serra analogo a quello di Venere, e la vita sarebbe stata semplicemente impossibile. Ma se il “legame idrogeno” rende coese le molecole d’acqua, ha un effetto opposto fra le molecole d’acqua e altre molecole: le molecole che hanno una struttura asimmetrica rispetto alle cariche ma non beneficiano del legame idrogeno, come il cloruro di sodio, mischiate con molecole d’acqua si scindono, in quanto la loro parte carica positiva viene attratta dall’atomo di ossigeno di una molecola d’acqua e la loro parte carica negativa viene attratta dagli atomi di idrogeno della molecola d’acqua. Tutti sappiamo che il sale si scioglie nell’acqua: i granelli si dissolvono sparendo e l’acqua rompe il legame fra il cloruro e l’atomo di sodio che formano, in una proporzione del 50%-50%, il cloruro di sodio appunto, cioè il principale costituente del sale. Allo stesso modo, l’acqua dissolve moltissimi altri composti, fra i quali ammoniaca e metanolo. Per questo l’acqua di mare, nella quale confluiscono molte sostanze diverse – saline ma anche di altra natura – è salmastra, perché tutte queste sostanze, nell’acqua, si sciolgono e quindi l’acqua stessa diviene indistricabilmente mischiata a tutti i composti di queste sostanze. Avere acqua pura è difficilissimo, infatti, anche in laboratorio! Quando si dice che l’acqua è la base della vita, la cosa va in effetti presa alla lettera. Per dirne una, il sangue umano è acqua con una serie di composti disciolti al suo interno e le proprietà dell’acqua sono fondamentali per la circolazione del sangue. Ad esempio, l’attrazione tra molecole d’acqua consente al sangue di fluire nel nostro corpo vincendo la forza di gravità. Le stranezze dell’acqua non finiscono qui. Una delle più eclatanti è anche una delle più familiari. Supponiamo di mettere dei cubetti di ghiaccio in un bicchiere d’acqua: galleggiano! Questa esclamazione ci potrà far sorridere per la sua ingenuità, ma pensiamoci un attimo: un solido che galleggia su un liquido! Qualcuno dirà che pure le navi galleggiano e sono fatte di metallo e di altre sostanze pesanti ma in quel caso è la forma che, unita alla spinta di Archimede, sorregge lo scafo. Invece un cubo di metallo non galleggia, affonda, e questa è un’altra affermazione lapalissiana per tutti noi. Ma allora perché anche il ghiaccio, che è solido, non affonda? Perché l’acqua, a differenza della maggior parte degli altri liquidi, si espande quando si solidifica! Pensiamo alla lava. Si tratta di roccia fusa: una pietra affonda nella lava per poi liquefarsi in essa. Infatti, quando la lava si solidifica si contrae: la sua struttura solida è più compatta di quella liquida. Questo è del tutto ragionevole, in quanto lo stato solido di una sostanza corrisponde a una temperatura minore e la temperatura minore corrisponde a un minor movimento delle molecole della sostanza che, agitandosi di meno, oscillano con minore ampiezza (quindi lo spazio che occupano complessivamente è meno a parità di massa). Un solido è più denso di un liquido. Altra affermazione lapalissiana ma violata dall’acqua! L’acqua si espande quando si raffredda. Si tratta di un’anomalia fondamentale per la vita sul pianeta e in generale per la struttura che il pianeta stesso ha. Pensiamo solo a quanto sarebbe diversa la Terra, e la vita su di essa, se gli iceberg, e in più in generale la banchina polare, affondassero invece che galleggiare! L’anomalia dell’acqua ha un punto, per così dire, critico, che è la temperatura di 4°. A questa temperatura la densità dell’acqua è massima, anche se di pochissimo, rispetto a valori per temperature fra 0° e 10°. La spiegazione di queste anomalie è sempre riconducibile alla particolare geometria della molecola d’acqua e alle strutture possibili che questa viene a formare quando le vibrazioni dei suoi atomi diminuiscono di frequenza: i cristalli di ghiaccio. In ogni caso, una conseguenza familiare dell’anomalia dell’acqua è che i laghi si ghiacciano in superficie ma non sotto. Questo, oltre che per pattinare d’inverno, è fondamentale per gli ecosistemi in quanto, durante l’inverno, le acque sotto il ghiaccio si mantengono sopra la temperatura di congelamento riuscendo a preservare organismi che altrimenti sarebbero distrutti. Se l’acqua si comportasse come un normale liquido, ghiacciando, il ghiaccio cadrebbe in fondo lasciando l’acqua in superficie ancora esposta al congelamento e il lago finirebbe per ghiacciarsi tutto! Pensiamo a cosa questo avrebbe comportato, alle conseguenze di questo fatto sull’evoluzione della vita (o forse sulla sua immediata estinzione). Queste osservazioni sono, è il caso di dirlo, solo la punta dell’iceberg delle straordinarie proprietà della molecola più importante per la vita di ciascuno di noi, della nostra specie e di tutti i viventi su questo pianeta e dovrebbero spingerci ancor di più a considerare l’acqua un dono prezioso da preservare.