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Perché il ghiaccio galleggia

Perché il ghiaccio galleggia sull'acqua?

Se immergiamo una moneta in un bicchiere riempito di acqua notiamo che la monetina affonda nell'acqua; se immergiamo un cubetto di ghiaccio nell'acqua notiamo invece che il cubetto di ghiaccio galleggia sull'acqua.

Ma perché il ghiaccio galleggia?

Il motivo risiede nella sua densità: la densità del ghiaccio (d = 916,8 kg/m3) è infatti minore della densità dell'acqua (d = 1000 kg/m3).

In base al principio di Archimede, per un corpo immerso nell'acqua (e più in generale in un fluido) si possono presentare tre casi in relazione ai valori della densità dc del corpo e della densità da dell'acqua:

  • Se dc > da allora il corpo affonda (è il caso della monetina che affonda nell'acqua);
  • Se dc = da il corpo è in equilibrio in ogni posizione si trovi all’interno del fluido;
  • Se dc < da il corpo galleggia (è il caso del cubetto di ghiaccio che galleggia nell'acqua).

Perché il ghiaccio ha una densità inferiore a quella dell'acqua?

Passando dallo stato liquido allo stato solido la densità dell'acqua diminuisce. Ciascuna molecola di acqua allo stato solido può formare infatti 4 particolari legami (detti legami a idrogeno) con altrettante molecole di acqua, dando vita ad una struttura tetraedrica molto ordinata.

I legami a idrogeno sono legami chimici direzionali e per loro stessa natura tendono ad allontanare le molecole di acqua.

Quando l'acqua congela le molecole sono costrette pertanto a distanziarsi (per formare la struttura esagonale ordinata tipica del ghiaccio) e quindi ad occupare un volume maggiore.

Struttura dell'acqua e del ghiaccio

a) Struttura disordinata dell'acqua allo stato liquido. b) Struttura ordinata del ghiaccio.

La struttura ordinata del ghiaccio assume quindi una densità inferiore alla struttura disordinata tipica dell'acqua allo stato liquido (ricordiamo infatti che la densità è il rapporto tra massa e volume: d = m / V; all'aumentare del volume V la densità diminuisce).

legame idrogeno ghiaccio

Struttura del ghiaccio.

Questo fenomeno, seppur deleterio per le tubazioni dell'acqua nei mesi invernali (il ghiaccio aumenta di volume e rompe le tubature), è fondamentale per la continuazione della vita negli ambienti acquatici: lo strato di ghiaccio che si forma sulle superfici di laghi, stagni, etc... non va ad accumularsi sul fondo, bensì galleggia (proprio perché di densità inferiore a quella del liquido) isolando termicamente l'acqua liquida sottostante e proteggendo gli organismi acquatici che vi si trovano.

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