La materia si presenta in tre stati di aggregazione: sono la fase solida, liquida e aeriforme. E l’acqua non fa eccezione, però…
Ogni sostanza può passare da uno stato di aggregazione a un altro. Gli stati di aggregazione di un corpo sono la conseguenza dell’interazione tra le particelle che lo costituiscono: se le particelle sono in grado di muoversi liberamente, parliamo di aeriforme, o gas; se la loro libertà di movimento è limitata, ed esistono interazioni tra particelle, si tratta di un liquido.
Se le interazioni tra le particelle diventano più forti, costringendole ad occupare posizioni praticamente fisse nel tempo, il corpo è solido. Poiché l’aumento della temperatura di un corpo determina un maggiore movimento delle particelle che lo compongono, e al contrario una diminuzione di temperatura ne provoca un rallentamento, i passaggi di stato sono direttamente correlati a variazioni di temperatura.
Le condizioni ambientali sulla superficie del nostro pianeta fanno sì che l’acqua sia presente in tutti e tre gli stati di aggregazione: in condizioni di temperatura normali (non solo quelle più frequenti, ma anche quelle in cui è permessa la vita) l’acqua è liquida; per raffreddamento può solidificare, diventando ghiaccio, e per riscaldamento può trasformarsi in un aeriforme, il vapore acqueo.
In ciascuno dei suoi stati di aggregazione, un corpo modifica la propria densità in funzione della temperatura e quindi del movimento delle particelle. Se un corpo viene scaldato, di solito la sua densità diminuisce: la stessa quantità di materia occupa un volume maggiore (fenomeno della dilatazione termica).
La densità di un gas è molto minore di quella di un liquido, e a sua volta un liquido è meno denso di un solido. Una eccezione, di fondamentale importanza, a questa regola è data dall’acqua e dal ghiaccio: l’acqua è più densa allo stato liquido (cioè come acqua) che allo stato solido (cioè come ghiaccio).
Per la sua grande capacità termica, in ogni suo passaggio di stato l’acqua assorbe oppure rilascia una grande quantità di energia.
Quando ad esempio l’acqua liquida si trasforma in vapore, le molecole si separano di volta in volta dallo strato superficiale; i ponti idrogeno, che le tengono unite, devono essere rotti. A causa di questi legami e dell’energia termica necessaria per romperli, l’acqua ha il più alto calore di evaporazione di qualsiasi altra sostanza presente in natura, liquida a temperatura ambiente. Con un meccanismo analogo, durante il passaggio da solido a liquido, l’acqua dimostra un alto calore di fusione, e richiede molta energia. Ovviamente, i passaggi inversi, condensazione e solidificazione, rilasciano con molta lentezza una quantità ugualmente grande di energia.
Se l’acqua seguisse l’andamento della maggior parte delle altre sostanze, si dovrebbe prevedere che essa congeli a -125°C e bolla a circa -75°C : sarebbe quindi un gas alle condizioni naturali della superficie terrestre. Tuttavia, come abbiamo visto, a causa dell’alto numero dei ponti idrogeno, si comporta come una molecola molto più grande di quanto non suggerisca la sua formula; essa infatti congela a 0°C e bolle a 100°C. L’acqua è quindi liquida nella maggior parte dei luoghi sulla superficie terrestre.
Le molecole del vapore acqueo atmosferico hanno una grande tendenza ad assorbire le radiazioni infrarosse, che sono le radiazioni più calde. Il vapore acqueo è invece assai trasparente alle radiazioni ultraviolette, che vengono lasciate giungere in larga parte dal Sole alla superficie terrestre.
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