Perchè il ghiaccio galleggia: fisica di un fenomeno peculiare

Se metto del ghiaccio in acqua galleggia? Tutti sappiamo dire con certezza che è così. Ma sappiamo dire il perché? Guardiamo a cosa dice la fisica.

La densità dell’acqua vicino a 0°C e l’anomalia a 4°C

L’acqua presenta un andamento non lineare della densità al diminuire della temperatura. Scendendo da 20°C fino a circa 4°C, la densità dell’acqua liquida aumenta progressivamente, raggiungendo il massimo proprio intorno ai 4 °C, con un valore di circa 999,975 kg/m³. Al di sotto di questa soglia, scendendo da 4°C a 0°C, la densità diminuisce invece di continuare ad aumentare, come invece accadrebbe per la maggior parte dei liquidi. Quando l’acqua arriva a 0 °C, la densità dell’acqua (ancora liquida) scende a circa 999,844 kg/m³. Mentre è a 0°C, l’acqua comincia a diventare ghiaccio, ed a questo punto la densità dell’acqua, divenuta solida, scende considerevolmente a 916,7 kg/m³. Questo significa che, a parità di massa, il ghiaccio occupa un volume maggiore rispetto all’acqua liquida, ed è quindi meno denso. Il ghiaccio soddisfa quindi la condizione necessaria per galleggiare (in acqua liquida nel nostro discorso) secondo il principio di Archimede.

Struttura molecolare e differenza di densità tra acqua e ghiaccio

La spiegazione della bassa densità del ghiaccio risiede nella disposizione delle molecole e nei legami a idrogeno, quest’ultime deboli forze elettrostatiche tra le molecole conseguenza indiretta della creazione del legame covalente tra idrogeno ed ossigeno. In fase liquida, le molecole di H₂O sono in continuo movimento tra loro ed i legami a idrogeno si formano e si rompono rapidamente, permettendo alle molecole d’acqua di orientarsi liberamente, fino ad accalcarsi le une sulle altre. Ciò mantiene la densità relativamente alta. Quando la temperatura scende fino a 0 °C, non c’è abbastanza energia termica per disturbare le interazioni tra molecole ed i legami a idrogeno si stabilizzano, costringendo le molecole a disporsi in una struttura cristallina esagonale (la più diffusa sulla terra per il ghiaccio). Questo reticolo ordinato lascia spazi vuoti tra le molecole, aumentando il volume complessivo e riducendo la densità. È per questo che anche nelle bevande congelate si osserva un aumento di volume: la disposizione cristallina richiede più spazio rispetto allo stato liquido, il che a volte, sfortunatamente, porta alla rottura delle bottiglie quando vengono dimenticate nel congelatore.
Succede anche che, il ghiaccio, man mano che scende al di sotto degli 0°C, tenderà ad aumentare lentamente la sua densità, restando comunque ben al di sotto di quella dell’acqua.

Impatto della minore densità del ghiaccio sulla vita sulla Terra

Il fatto che il ghiaccio sia meno denso dell’acqua liquida ha conseguenze importantissime per gli ecosistemi. Nei laghi e nei mari, quando l’acqua si raffredda, tende ad andare a fondo, causando una circolazione di fluido che porta grossomodo alla formazione di una stratificazione di acqua a diverse temperature e densità. Quando la temperatura scende sotto i 4 °C, l’acqua più fredda, meno densa, resta in superficie e congela, mentre quella a 4 °C, più densa, si deposita sul fondo. Questo processo fa sì che il ghiaccio si formi in superficie, creando uno strato isolante che protegge l’acqua sottostante dal congelamento completo. Grazie a questo meccanismo, la vita acquatica può sopravvivere anche durante inverni rigidi, mantenendo un ambiente liquido vitale sotto la crosta ghiacciata. Un ulteriore effetto della ridotta densità del ghiaccio si può osservare con il galleggiamento degli iceberg, che liberi di vagare influenzano la vita marina nel loro passaggio ed a volte anche quella umana.
Guardando all’aumento di volume del ghiaccio, c’è da notare come questa espansione sia capace di rompere le rocce e di modellare i paesaggi. Lo stesso fenomeno di espansione è quello che rende biologicamente pericoloso il congelamento di un tessuto, in quanto l’acqua contenuta nelle cellule espandendosi rompe le pareti cellulari distruggendo le cellule stesse.

Sapevate che…