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Se cercate in rete la voce ‘acqua’, avendo poi la pazienza di spulciare i collegamenti a cui essa rimanda, prima o poi vi imbatterete nel cosiddetto effetto Mpemba. Erasto Mpemba, originario della Tanzania, era uno studente, quando si avvide, dopo aver posto le stesse quantità di latte in due recipienti identici, che il latte caldo congelava prima di quello a temperatura ambiente. Se volete, potrete divertirvi a fare lo stesso esperimento, adoperando, invece che il latte, l’acqua, alla quale fu subito chiaro che il fenomeno era ascrivibile, come è descritto nell’articolo originale. Dovrete anche sperare nella fortuna, visto che il fenomeno non si osserva sempre, e cercherò di mostrarvi il perché.

Tra le ipotesi fatte per spiegare questa apparente anomalia, non mancano le speculazioni sulle proprietà ‘magiche’ dell’acqua. Vorrei invitarvi, da chimico, a non cedere a nessuna tentazione esoterica. La chimica, come ogni scienza che ambisca ad avere la capacità di ‘predire’ i fenomeni, cerca in sé stessa l’interpretazione di ogni nuova osservazione, ancor prima di addentrarsi in speculazioni, le quali, però, dovranno sempre essere improntate al rigore scientifico. Nel caso dell’effetto Mpemba non sarà necessario andare molto lontano per comprendere che vi sono solide ragioni che spiegano perché l’acqua calda possa comportarsi in maniera inaspettata.

Chiediamoci dapprima che cosa sia l’acqua dal punto di vista chimico. Essa è una sostanza composta da atomi di idrogeno e di ossigeno nel rapporto 2:1. Indi, chiediamoci che cosa sia quella che noi comunemente chiamiamo acqua. Ebbene, l’acqua delle nostre case non è esattamente ‘acqua’, bensì una miscela (una soluzione) in cui l’acqua è il componente predominante (il solvente). Cos’altro contiene l’acqua che generalmente adoperiamo per lavarci, per bere e per cucinare? Immagino già sappiate che in essa sono disciolti sali (ad esempio, i bicarbonati di calcio e di magnesio), gas (ad esempio, l’anidride carbonica) ed altre sostanze indesiderate, per lo più ‘inquinanti’, il cui tasso dev’essere costantemente tenuto sotto controllo per ridurre gli effetti nocivi per la salute. In altri termini, per ottenere acqua chimicamente pura, dovremo ‘demineralizzare’ l’acqua di casa, cioé, privarla dei sali in essa contenuti, degassarla, per eliminare tutti i gas, e purificarla di tutti gli inquinanti.

In genere, tutte queste operazioni possono essere effettuate in un unico semplice passaggio, distillando l’acqua di casa, cioé, facendola bollire, e successivamente raccogliendo le gocce d’acqua che si formano per condensazione del vapore acqueo, proprio come succede al vapore che si condensa sulla parte inferiore di un coperchio posto a copertura di una pentola in cui bolle l’acqua. Subito dopo la preparazione, le proprietà di quest’acqua si discosterebbero pochissimo da quelle dell’acqua chimicamente pura.

In chimica sono anche descritte, con il nome collettivo di proprietà colligative, tutte le proprietà dei liquidi (e tra i liquidi, ovviamente, l’acqua) che dipendono dalla quantità delle sostanze in essi disciolte (i soluti). In particolare, mentre a pressione atmosferica l’acqua chimicamente pura è liquida tra 0 °C (temperatura di congelamento) e 100 °C (temperatura di ebollizione), l’acqua che contiene altre sostanze al suo interno è liquida in un intervallo di temperature maggiore. Tutte le sostanze, quali che esse siano, disciolte in acqua chimicamente pura, hanno la proprietà di abbassarne la temperatura di congelamento al di sotto di 0 °C e di innalzarne la temperatura di ebollizione al di sopra di 100 °C. Ricordiamo, ad esempio, il sale anti-ghiaccio o il liquido anti-congelante per il radiatore dell’auto.

Cosa succede nell’acqua di Mpemba? Beh, a questo punto avrete capito che il segreto sta nel fatto che essa non è acqua chimicamente pura, bensì è acqua comune, simile a quella che sgorga dalle nostre fontane, in cui sono disciolte diverse sostanze. Innanzitutto, il riscaldamento fa diminuire la quantità di gas disciolti, tra i quali l’anidride carbonica, che tra l’altro consente al calcio e al magnesio di restare in soluzione sotto forma di bicarbonati. Da questo scaturisce la trasformazione dei bicarbonati in carbonati. I carbonati, a loro volta, si sciolgono molto poco in acqua (si pensi, ad esempio, al marmo, che è carbonato di calcio). L’effetto ulteriore del riscaldamento consiste, pertanto, nel trasformare i bicarbonati solubili in carbonati insolubili, rendendo l’acqua meno ‘dura’ (a minor tenore di calcio e di magnesio). Il risultato complessivo è un innalzamento della temperatura di congelamento verso valori più vicini a quelli tipici dell’acqua chimicamente pura. Di conseguenza, all’origine dell’effetto Mpemba c’è il fatto che l’acqua riscaldata, contenendo una quantità minore di sostanze disciolte, è predisposta a congelare ad una temperatura più prossima a 0 °C rispetto alla stessa acqua non riscaldata.

In realtà, le cose sono un tantino più complicate. A rigore, occorre tener conto anche del fatto che l’acqua riscaldata disperde il calore verso il congelatore (che è sempre ad una temperatura molto inferiore a 0 °C) con una velocità maggiore rispetto all’acqua che non ha subito alcun trattamento, perché questa velocità è determinata dalla differenza tra la temperatura di congelamento e la temperatura del congelatore. Per avere un’idea, supponendo che il congelatore sia alla temperatura di -10 °C, questa differenza sarebbe pari a 10 °C per l’acqua chimicamente pura [(0-(-10)) °C], mentre, per una qualsiasi altra acqua, sarebbe minore di 10 °C di un ammontare proporzionale alla quantità di sostanze disciolte. E’ stato anche stimato che la velocità di congelamento di un’acqua moderatamente ‘dura’ è minore di circa il 10% della velocità di congelamento della stessa acqua sottoposta a riscaldamento. Questo spiega anche che l’effetto Mpemba può non verificarsi quando l’acqua di partenza è tanto ‘dolce’ (a basso tenore di calcio e di magnesio) che il riscaldamento non è in grado di determinare una diminuzione della quantità delle sostanze disciolte tale da causare un aumento apprezzabile della velocità di congelamento.

In giro per la rete troverete anche altre spiegazioni, alcune abbastanza complesse, altre decisamente improbabili, ma quella che vi ho proposto si fa preferire, a mio avviso, per la sua linearità e per la sua ragionevolezza. Ah, per inciso, è noto che il fenomeno fu descritto da Aristotele, che elucubrò a lungo sui quattro elementi fondamentali del mondo fisico e sulle loro relazioni, nel IV secolo a.C.. Immagino che se ne sia accorto sul monte Olimpo, mentr’era intento a riscaldarsi con una bella tazza di acqua calda, la quale gli si sarà gelata nella neve prima di quella fredda, attinta in precedenza.