Perché il ghiaccio galleggia? La strana eccezione dell’acqua

Perché il ghiaccio galleggia se è fatto della stessa sostanza dell’acqua in cui si trova? È una domanda che nasce guardando un cubetto nel bicchiere, ma la risposta porta dritta a una delle proprietà più insolite della natura: l’acqua, quando diventa solida, occupa più spazio di quando è liquida.

Perché il ghiaccio galleggia sull’acqua?

La risposta breve è: perché il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida. Un litro di ghiaccio pesa circa 917 grammi, mentre un litro d’acqua ne pesa circa 1.000. Un oggetto meno denso del liquido in cui si trova riceve una spinta verso l’alto maggiore del proprio peso, e quindi resta a galla.

Detto così sembra ovvio, ma non lo è affatto. Per la grande maggioranza delle sostanze vale la regola opposta: il solido è più compatto del liquido e affonda. Un pezzo di cera solida, per esempio, va a fondo nella cera fusa. L’acqua è una delle poche eccezioni.

Il segreto è nei legami tra le molecole

Ogni molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno e due di idrogeno, disposti a forma di “V”. Le molecole si attraggono tra loro grazie ai cosiddetti legami a idrogeno: l’idrogeno di una molecola è attirato dall’ossigeno di quella vicina.

Nell’acqua liquida questi legami si formano e si rompono di continuo, e le molecole possono stringersi l’una all’altra in modo disordinato. Quando la temperatura scende sotto lo zero, invece, ogni molecola si “aggancia” in modo stabile a quattro vicine. Il risultato è una struttura ordinata a celle esagonali, piena di spazi vuoti: una specie di alveare in miniatura. È proprio questo reticolo arioso a rendere il ghiaccio più leggero, a parità di volume, dell’acqua da cui nasce.

Quanto aumenta di volume l’acqua che ghiaccia

Quando congela, l’acqua aumenta di volume di circa il 9%. Sembra poco, ma ha effetti molto concreti nella vita di tutti i giorni:

• una bottiglia di vetro piena d’acqua dimenticata nel congelatore può spaccarsi;
• le tubature esterne non protette possono rompersi durante le gelate;
• l’acqua che si infiltra nelle crepe delle rocce, ghiacciando, le allarga fino a spezzarle: è uno dei modi in cui le montagne si erodono nel tempo.

Per lo stesso motivo, chi congela brodi o sughi farebbe bene a lasciare un po’ di spazio vuoto nel contenitore.

Perché si vede solo la punta dell’iceberg

La differenza di densità tra ghiaccio e acqua non è enorme, e lo si capisce guardando un iceberg: circa il 90% della sua massa resta sott’acqua e solo un decimo emerge. Il dato cambia un po’ a seconda che il mare sia più o meno salato, ma l’idea resta quella. Da qui viene anche il modo di dire “la punta dell’iceberg”, per indicare la piccola parte visibile di un problema molto più grande. Chi si è chiesto anche perché il mare è salato troverà qui un altro tassello: il sale rende l’acqua più densa e quindi il ghiaccio galleggia ancora un po’ meglio.

Perché è una fortuna per la vita sulla Terra

C’è un altro dettaglio curioso: l’acqua liquida raggiunge la sua densità massima intorno ai 4 gradi. Quando un lago si raffredda in inverno, l’acqua a 4 gradi, più pesante, scende verso il fondo, mentre quella più fredda resta in superficie e lì congela.

Si forma così uno strato di ghiaccio che fa da coperchio isolante. Sotto, l’acqua resta liquida e pesci, piante e piccoli organismi possono superare l’inverno. Se il ghiaccio affondasse, i laghi gelerebbero dal fondo verso l’alto e in molte zone fredde la vita acquatica avrebbe grosse difficoltà a sopravvivere.

Lo stesso fenomeno aiuta anche a capire altri spettacoli dell’inverno, come la brina sui prati al mattino.

Un esperimento da fare in casa

Per vedere la differenza con i propri occhi basta poco: riempire a metà un bicchiere trasparente con olio di semi e aggiungere un cubetto di ghiaccio. Il cubetto galleggerà nell’olio finché è solido; man mano che fonde, le gocce d’acqua, più pesanti dell’olio, scenderanno lentamente verso il fondo. Un modo semplice per mostrare anche ai più piccoli che densità e galleggiamento vanno sempre a braccetto.