Come mai il ghiaccio galleggia sull’acqua?
In effetti tutti conosciamo diversi esempi del fatto che il ghiaccio galleggia in acqua:
- gli iceberg galleggiano, nel senso che non vanno a fondo e la loro punta emerge dal mare
- i cubetti di ghiaccio galleggiano in un bicchiere d’acqua.
Ma perché il ghiaccio galleggia nell’acqua, dato che di solito un solido tende ad affondare nel suo liquido?
Vediamo subito la ragione per cui questo accade, spiegata in modo semplice!
Perché il Ghiaccio Galleggia in Acqua?
Il ghiaccio galleggia sull’acqua perché la sua densità è minore di quella dell’acqua stessa.
La densità del ghiaccio, a 0 °C e alla pressione atmosferica, è infatti pari a 0,9168 g/cm3. Nelle stesse condizioni, l’acqua ha una densità di 0,9998 g/cm³, quindi superiore a quella del ghiaccio.
Il principio di Archimede regola il galleggiamento, e in particolare da esso si deduce che un solido immerso in un fluido rimane in equilibrio se la sua densità è uguale a quella del liquido stesso.
Se la densità del solido è invece maggiore di quella del fluido, il corpo tende ad affondare. Viceversa se il solido ha densità minore di quella del fluido, esso tende a tornare in superficie e galleggiare.
Perché il Ghiaccio è Meno Denso dell’Acqua?
Il ghiaccio è meno denso dell’acqua perché quando l’acqua si ghiaccia le molecole sono costrette a disporsi nello spazio in maniera particolarmente distanziata tra loro a causa della formazione di legami a idrogeno intermolecolari.
Questo equivale a dire che durante il processo di congelamento il volume dell’acqua aumenta, ovvero lo stesso numero di molecole d’acqua occupa meno spazio allo stato liquido che allo stato solido.
Il legame a idrogeno è un legame piuttosto debole, e quando l’acqua è allo stato liquido i legami a idrogeno si formano e si disfano continuamente tendendo a durare pochissimo. Quando la temperatura si abbassa e inizia il processo di solidificazione, i legami a idrogeno tendono a crearsi sempre più numerosi e a diventare permanenti obbligando le molecole a disporsi nello spazio secondo strutture esagonali.
Nella figura sotto puoi vedere una schematizzazione di tale struttura esagonale tenuta assieme da legami a idrogeno tra le molecole. Immaginati che simili strutture si ripetano tridimensionalmente andando a formare un pezzo di ghiaccio.
Quando sono ordinate secondo tale struttura cristallina, le molecole di acqua ghiacciata sono in media più distanziate tra loro rispetto alle molecole di acqua allo stato liquido, e quindi la densità del ghiaccio risulta minore di quella dell’acqua liquida.
Questo equivale a dire che il volume dell’acqua aumenta man mano che essa si ghiaccia.
Vediamo ora meglio come funziona il legame a idrogeno nell’acqua.
Legame a Idrogeno nell’Acqua
Come sappiamo la molecola di acqua è formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno (H2O).
Il legame tra ossigeno e idrogeno è un legame covalente, ovvero un legame molto forte in cui l’atomo O e l’atomo H mettono in comune elettroni. L’ossigeno è più elettronegativo dell’idrogeno, e quindi tende ad attrarre maggiormente gli elettroni comuni. In questo modo l’atomo di idrogeno resta parzialmente carico positivamente.
Il legame a idrogeno si forma tra due molecole di acqua, quando un atomo di idrogeno di una molecola viene attratto dall’atomo di ossigeno (che come abbiamo visto è fortemente elettronegativo) di un’altra molecola.
Nella struttura cristallina del ghiaccio ogni molecola è legata da legame a idrogeno ad altre 4 molecole, mentre all’aumentare della temperatura una parte dei legami a idrogeno si rompe e quindi passando allo stato liquido le molecole d’acqua possono disporsi in modo da occupare meno spazio.
Pesa di Più un Litro di Acqua o un Litro di Ghiaccio?
Anche se a prima vista potrebbe sembrare poco intuitivo, dovremmo già aver capito che un litro di acqua pesa di più che un litro di ghiaccio!
Quindi a parità di volume il ghiaccio pesa meno dell’acqua. Il litro è infatti una unità di misura del volume.
Questo è nuovamente dovuto al fatto che la densità del ghiaccio è minore rispetto a quella dell’acqua.
A 0 °C e alla pressione atmosferica infatti un litro di acqua pesa circa 0,9998 kg, mentre un litro di ghiaccio pesa 0,9168 kg.
Attenzione a non fare confusione però! Non stiamo dicendo che se prendi una certa quantità di acqua liquida (ad esempio 100 grammi) e la congeli, dopo che si è ghiacciata essa peserà di meno. Ciò che varia è il volume (che aumenta allo stato solido) e la densità, mentre il peso rimarrà sempre pari a 100 grammi.
Per saperne di più su densità, volume e concetti simili ti consiglio il nostro approfondimento su peso e massa.
Perché Emerge Solo la Punta dell’Iceberg?
Abbiamo spesso visto in documentari naturalistici che emerge soltanto la punta di un iceberg, mentre la parte sommersa è di gran lunga più grande di quella visibile fuori dall’acqua.
Per spiegare questo fatto dobbiamo nuovamente fare riferimento al principio di Archimede. Da esso infatti deriva la formula del galleggiamento, che ci dice che il rapporto tra il volume immerso (Vi) e il volume totale è uguale al rapporto tra la densità del solido (il ghiaccio) e la densità del fluido (l’acqua salata del mare):
Vi / V = Dsol / Dflu
Considerando che la densità del ghiaccio è di 0,9168 g/cm3, mentre quella dell’acqua marina è di 1,025 g/cm3 si deduce che il rapporto tra volume immerso e volume totale è pari a 0,8944. La parte emersa dell’iceberg è quindi pari a circa il 10,56% del volume totale.