DIVAGAZIONI CIRCA IL GHIACCIO

Il ghiaccio è, come ben noto, una delle sostanze più comuni della stagione invernale, assieme alla neve.
Ma cos'è precisamente e come si forma?
Alla prima domanda è molto semplice rispondere: avete presente l'acqua (H2O)?

Il ghiaccio non è altro che acqua allo stato solido!

Infatti, l'acqua, quando viene riscaldata fino a 100 °C diventa vapor acqueo mediante il cambiamento di stato noto come evaporazione, mentre, in generale, quando viene sottoposta a una temperatura di 0 °C muta appunto in ghiaccio, tramite la transizione di fase denominata solidificazione.
Dunque, ecco perchè quando mettiamo l'acqua nel congelatore, ritroveremo in un secondo momento cubetti di ghiaccio.
Volete sapere una cosa particolare su tale processo?

Lo sapevate che per generare del ghiaccio più rapidamente è necessario usare l'acqua calda piuttosto che quella fredda?

Per quale motivo?
Perché sussiste il cosiddetto effetto Mpemba.
Nel 1969 uno studente della Tanzania, Erasto Mpemba, scoprì praticamente per caso che, se viene riscaldata, una mistura per gelato congela con maggiore rapidità.
Ciò avviene, secondo uno studio (per visualizzare la pubblicazione originale cliccare qui) della New York State University a Binghamton, guidato da James Brownridge, a causa delle impurità casuali dell'acqua.
A detta di Brownridge, l'acqua più calda ha una temperatura di congelamento più alta di quella fredda (nell'esperimento la differenza esistente era di circa 6 gradi) e tale proprietà dipenderebbe proprio dalla presenza di impurità casuali favorenti la formazione di cristalli di ghiaccio.
Dunque, l'acqua fredda tenderebbe a scendere sotto zero senza congelare (sopraffusione), per poi tornare lentamente verso lo zero e trasformarsi in ghiaccio più tardi.
Dalla trattazione sull'effetto Mpemba abbiamo pertanto capito che non è una regola sempre valida dire che l'acqua congela a 0 °C.
Infatti, l'acqua può essere considerata un liquido anomalo.
Come abbiamo appena constatato, in determinate condizioni può restare liquida fino a decine di gradi Celsius sotto zero ("acqua sopraffusa"), mediante il processo noto come sopraffusione (o sottoraffreddamento).
Quest'acqua "ultrafredda" è stata al centro di ferventi dibattiti all'interno della comunità scientifica.
Infatti, per interpretare lo stato e la struttura microscopica della suddetta sostanza sono state elaborate ben 4 diverse teorie.
Abbastanza di recente è stato pubblicato sui "Proceedings of the National Academy of Sciences" uno studio in merito a tale questione, il quale è riuscito a delineare un'unica teoria unificante le 4 già esistenti, riducendole a casi particolari di un medesimo quadro (un po' come la M-Teoria unifica sotto una singola prospettiva 5 teorie delle stringhe differenti!).
La conclusione più significativa di questa ricerca sta nel fatto che, al di sotto di una certa temperatura, nonostante l'acqua sembri liquida come quella uscente dal rubinetto, in realtà si presenta in un nuovo stato della materia: liquido, ma con alta densità.
Ora, dopo tutte queste discussioni su proprietà singolari dell'acqua, ritorniano al tema principale: il ghiaccio.
Abbiamo visto che esso si genera, in generale, attraverso la solidificazione di H2O.
Ma come avviene il processo della sua formazione sulle strade in inverno?
Dobbiamo fare una breve premessa.
L'aria può contenere soltanto quantità limitate di vapore, le quali variano a seconda della temperatura: più l'aria è calda, maggiore risulta la quantità di vapore che può essere immagazzinata.
Quando l'aria non riesce più ad ospitare altro vapore acqueo, allora ha raggiunto il cosiddetto punto di saturazione.
Il vapor acqueo incomincierà di conseguenza a tornare allo stato liquido, mediante il processo di condensazione.
La temperatura alla quale il vapore inizia a condensare è chiamata punto di rugiada.
Nel caso la condensazione avvenga vicino al suolo, le molecole d'acqua liquida tenderanno a raggrupparsi su varie superfici, generando piccole goccioline: la rugiada.
Quando poi la temperatura delle superfici è inferiore al punto di congelamento, ossia il punto di rugiada è minore di 0 °C, il vapore acqueo si trasforma immediatamente in cristalli di ghiaccio, attraverso un processo di condensazione solida: si forma così la brina.
Se la rugiada si deposita prima che la temperatura sia scesa sotto il fatidico zero, le goccioline di rugiada muteranno proprio in ghiaccio mediante solidificazione.
Inoltre, in alcune particolari condizioni, le goccioline d'acqua che si generano per condensazione nell'aria possono rimanere in forma liquida anche in presenza di temperature negative; non sono altro che goccioline sopraffuse.
Queste ultime congelano immediatamente non appena pervengono su una qualsiasi superficie che abbia una temperatura minore di 0 °C.
Tale fenomeno è avvenuto nel 1998 nella città canadese di Montreal: le superfici con cui la pioggia sopraffusa è venuta in contatto si sono congelate immediatamente.
Ciò ha comportato una vera e propria "tempesta di ghiaccio", che ha distrutto i pali dell'elettricità, lasciando 4 milioni di persone senza elettricità e dunque senza riscaldamento: una vera catastrofe con un bilancio di 35 morti e danni per miliardi di euro.
Ora che abbiamo scoperto come si forma il ghiaccio, proviamo a rispondere a un'altra interessante domanda: come è possibile sciogliere il ghiaccio o la neve presente sulle strade?
Semplice: sfruttando alcune sostanze chimiche, come l'acetato di potassio, il cloruro di sodio, il cloruro di calcio, il cloruro di magnesio e l'urea.
Tutte le citate sostanze interferiscono infatti con la formazione dei cristalli di ghiaccio e possono essere usate per scioglierlo.
Tuttavia, esse differiscono una dall'altra per efficacia, per i danni che possono causare all'ambiente e per i costi.
Andiamo quindi ad analizzare vantaggi e svantaggi delle suddette sostanze:

• Il comune sale da cucina, il cui nome chimico rigoroso è cloruro di sodio (NaCl), è sicuramente poco costoso e in grado di sciogliere il ghiaccio fino a -20 °C, ma può determinare danni al territorio e alla vegetazione, contaminare l'acqua di superficie e nel sottosuolo, e aumentare la corrosione del cemento e dei metalli;
• L'acetato di potassio (CH₃COOK) è molto meno dannoso per l'ambiente rispetto al sale, ma purtroppo è anche 20 volte più costoso;
• Il cloruro di calcio (CaCl₂) scioglie la neve e il ghiaccio molto più rapidamente del sale ed è pure meno corrosivo. Tuttavia, danneggia la flora e la fauna ed è più caro del comune cloruro di sodio;
• Il cloruro di magnesio (MgCl₂) è meno corrosivo del cloruro di sodio, ma è valido solamente fino a -15 °C e costa 5 volte più del sale;
• L'urea (CH₄N₂O) non è corrosiva e non danneggia la vegetazione, ma purtroppo scioglie il ghiaccio solo sino a -4 °C.

Ergo, non sussiste una modalità perfetta per sciogliere il ghiaccio e la neve: ci sono sempre dei "piccoli" inconvenienti da valutare.
Volete sapere un'ultima curiosità concernente il ghiaccio e in particolare l'hockey sul ghiaccio?
Ebbene, durante la stagione 1949-50, la National Hockey League, per cercare di far vedere meglio agli spettatori il dischetto (pack) alla base dello sport, decise di dipingere il ghiaccio della pista da hockey.
Infatti, senza alcuna modifica, il colore grigio del cemento di cui è costituita la pista si vedrebbe attraverso il ghiaccio, e non si andrebbe così a determinare alcun contrasto con il colore nero del pack.
Per ovviare a tale inconveniente, si decise appunto di dipingere il ghiaccio con un pigmento bianco, probabilmente il biossido di titanio (TiO₂), avente un elevato indice di rifrazione.
Gli spettattori da casa poterono pertanto assistere, per mezzo della tv, l'11 ottobre 1952 alla prima puntata di "Hockey Night in Canada", durante la quale videro proprio il ghiaccio dipinto.
Adesso, ecco un video con i momenti più esilaranti di Scrat, simpatico scoiattolo del film d'animazione L'era glaciale (per chi non lo sapesse, la musica presente verso la fine del video è l'Adagio da Spartacus e Phrygia di Aram Khachaturian):



Vi lascio infine con una carrellata di video relativi a musiche natalizie: