Una goccia d'acqua
Introduzione
L'acqua è la sostanza più comune presente sulla superficie terrestre. Senza l'acqua non potrebbe esserci vita. Il nostro corpo è costituito per il 70% circa d'acqua. Date un'occhiata all'immagine qui sotto. L'acqua può trovarsi in 3 diversi stati:
- Solido (ghiaccio)
- Liquido (acqua)
- Gassoso (vapore acqueo)
L'acqua può cambiare stato se sottoposta a riscaldamento, raffreddamento o variazioni di pressione.
Come avvengono i cambiamenti di stato dell'acqua?
Se riscaldato leggermente, il ghiaccio inizia a sciogliersi passando allo stato liquido. Se riscaldato fino a 100°C, il liquido passa allo stato gassoso.
Perché accade?
L'acqua è una molecola con formula chimica H2O, vale a dire due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno.
Le particelle del ghiaccio solido sono strettamente aggregate e tenute insieme da legami chimici detti "legami idrogeno". Le particelle, inoltre, vibrano. Quando si riscalda il ghiaccio, l'energia immessa fa aumentare le vibrazioni. Alcuni dei legami si rompono e le particelle possono muoversi più liberamente (per questo il ghiaccio diventa liquido). Applicando una maggiore quantità di calore, le particelle ricevono sufficiente energia per rompere tutti i legami e disperdersi sotto forma di gas o vapore.
La proprietà fisica della acqua
La proprietà fisica della materia che descrive il grado di aggregazione delle particelle che costituiscono una sostanza è detta densità. La densità (D) misura la quantità di materiale (massa o m) in un dato spazio (volume o V) ed è espressa dal rapporto:
D = m/V.
Le differenze di densità della materia terrestre sono alla base di fenomeni come le correnti oceaniche, il vento e i movimenti tettonici. Generalmente la densità della materia aumenta con il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido e dallo stato liquido a quello solido. La densità aumenta inoltre al diminuire della temperatura perché l'abbassamento della temperatura riduce la vibrazione degli atomi. La minore vibrazione determina una più stretta aggregazione, o maggiore densità, degli atomi. L'acqua, però, è diversa!
L'acqua possiede alcune proprietà fisiche e chimiche molto insolite che ne fanno una delle sostanze più importanti del nostro pianeta.
Nel video realizzato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, l'astronauta dell'ESA Frank De Winne svolge alcune dimostrazioni per illustrare il comportamento dell'acqua in un ambiente a microgravità. Gli educatori possono presentare questa clip e le note seguenti ai propri allievi per confrontare i diversi comportamenti dell'acqua sulla Terra e nello spazio.
1. Perché lo stato solido dell'acqua (ghiaccio) è insolito?
Ci si potrebbe aspettare che una sostanza solida come il ghiaccio affondi. In realtà, sappiamo che aggiungendo ghiaccio a una bevanda i cubetti galleggiano.
Riempite una bottiglia di plastica d'acqua e chiudetela. Mettete la bottiglia in freezer e il giorno dopo osservate cosa è successo. Probabilmente il tappo è saltato via e la bottiglia sembra essersi gonfiata.
L'acqua è MENO densa in forma solida (ghiaccio) che in forma liquida. La densità dell'acqua pura a 4°C è di 1,0 g/cm3, mentre la densità del ghiaccio a 0°C è di solo 0,92 g/cm3. L'acqua liquida e il ghiaccio hanno diverse densità perché nel ghiaccio le molecole sono più distanziate e quindi occupano più spazio rispetto alle molecole di acqua liquida.
Nello spazio:
Frank prende un pezzetto di ghiaccio e lo mette all'interno di una goccia d'acqua.
Cosa accade al ghiaccio all'interno della goccia d'acqua? Galleggia, affonda o si comporta diversamente?
Risposte:
Sulla Stazione Spaziale Internazionale tutto è in CADUTA LIBERA e quindi non soggetto alla GRAVITÀ terrestre. La gravità è la forza che ci impedisce di "volare via" qui sulla Terra. Se lanciate un oggetto, questo cadrà sempre a terra. Ahi!
La forza di attrazione che spinge tutto verso la Terra è detta forza gravitazionale. A bordo della ISS gli astronauti fluttuano, e lo stesso accade a tutto ciò che non è trattenuto saldamente. Anche all'acqua. Il ghiaccio non galleggia e non affonda, ma semplicemente si muove attorno alla goccia d'acqua.
2. Polarità dell'acqua
L'acqua è una molecola dipolare. La formula chimica dell'acqua è H2O, vale a dire due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno.
Una molecola d'acqua non ha alcuna carica elettrica netta. Vi sono tuttavia una leggera carica negativa nella regione dell'atomo di ossigeno e una leggera carica positiva vicino agli atomi di idrogeno. Tale struttura è detta dipolo. La carica netta della molecola d'acqua è nulla. Le cariche positive e le cariche negative sono uguali e pertanto si annullano.
Esperimento: dimostrazione della natura dipolare dell'acqua.
Materiali:
- Una sorgente d'acqua (ad esempio un rubinetto)
- Una bacchetta di vetro o un righello di plastica
Metodo:
- Lasciate scorrere un flusso leggero d'acqua dal rubinetto.
- Prendete il righello, o la bacchetta, e avvicinatelo al flusso d'acqua. Succede qualcosa?
- Ora strofinate ripetutamente il righello, o la bacchetta, su un panno o sulla maglietta. Avvicinatelo all'acqua. Cosa succede ora? Perché pensate succeda?
Sulla Stazione Spaziale Internazionale Frank De Winne utilizza una busta di plastica (invece di una bacchetta) per generare una carica (carica positiva +). Strofinando la plastica sui suoi vestiti, crea una carica positiva sulla superficie. Avvicinando poi la plastica alla goccia d'acqua, la carica della plastica attrae la carica opposta delle molecole d'acqua (la carica negativa dell'ossigeno). Domande. Perché Frank non può utilizzare un getto d'acqua sulla ISS? Cosa accade alla goccia d'acqua quando Frank vi avvicina la busta di plastica?
Risposta:
La bacchetta, o il righello, attira verso di sé l'acqua perché la carica positiva della bacchetta attrae la carica negativa della molecola d'acqua.
Quando Frank avvicina l'oggetto di plastica caricato elettricamente alla goccia d'acqua e lo sposta, anche la goccia si sposta. La carica negativa dell'ossigeno sarà attratta dalla carica positiva della plastica.
Frank non può utilizzare un getto d'acqua sulla ISS perché qui tutto è in caduta libera e l'acqua potrebbe facilmente penetrare nelle apparecchiature elettriche e danneggiarle. L'acqua proviene da speciali sacchetti utilizzati per bere e deve essere raccolta dopo l'esperimento.
3. Solubilità dell'acqua
L'acqua possiede una proprietà molto importante, vale a dire la capacità di sciogliere molti solidi e gas. Cosa succede quando aggiungiamo lo zucchero (un solido) al caffè?
Si dice che lo zucchero è solubile in acqua. Alcune sostanze sono insolubili (non si sciolgono). Ne conoscete qualcuna?
Esperimento: sostanze solubili e insolubili
Materiali:
zolletta di zucchero, grani di sale, caffè istantaneo e caffè macinato, pezzetti di legno (trucioli, fieno), trucioli di plastica, trucioli di cera, vasetti di vetro, cucchiaio o agitatore, sorgente d'acqua e punto di raccolta dei rifiuti.
Metodo
- Aggiungete un materiale per volta all'acqua in un vasetto e osservate se la sostanza si scioglie. Può essere necessario mescolare.
- Annotate in una tabella cosa si scioglie e cosa no.
Sulla Terra possiamo vedere chiaramente se qualcosa si scioglie, soprattutto se la sostanza è colorata. La sostanza sembra “sparire” nell'acqua. Aggiungendo lo zucchero al tè/caffè, la bevanda diventa dolce. (NON ASSAGGIATE NULLA in classe!).
Nello spazio, dove esistono condizioni diverse rispetto alla Terra, lo zucchero si scioglie ugualmente nel tè? Sappiamo che nello spazio tutto fluttua, ma questo vale anche per lo zucchero nell'acqua oppure lo zucchero si scioglie?
Frank proverà a sciogliere lo zucchero nel contenitore del tè. Cosa pensate che succederebbe se l'acqua fosse più calda? O se venisse mescolata?
Gli astronauti ricevono speciali sacchetti contenenti tè e zucchero. Devono aggiungervi acqua calda e agitarli per sciogliere lo zucchero e mescolare il tè. Come fa Frank a sapere se lo zucchero si è sciolto?
Risposta:
Frank assaggia il tè e sente che è dolce. Quindi lo zucchero si scioglie nell'acqua anche nello spazio.
