La Delicata Chimica di un Fiocco di Neve

Complice l'inverno, non è la prima volta che mi trovo a parlare della chimica del ghiaccio: era già capitato in passato con dei post su Il Senso di Smilla per la Neve di Høeg e Ghiaccio IX di Vonnegut, oltre a un passaggio nella serie di Chimica for Dummies. Ma non mi era ancora mai capitato di parlare di che cos'è la neve. Questo post sarà accompagnato da due citazioni (smembrate, ricomposte e in parte rielaborate) prese dal libro Neve. E si amarono l'un l'altro sospesi su di un filo di neve, dello scrittore Maxence Fermine. Ne approfitto anche per augurarvi Buon Natale. 

"Quando ne parlò al padre, questi vi trovò solo aspetti negativi, come se la strana passione del figlio per la neve gli rendesse l’inverno ancor più ostile. Yuko invece nella sua compagna vedeva cinque caratteristiche diverse, che appagavano il suo talento artistico." (M.F.)

La molecola dell'acqua ha la forma di una V, dove l’angolo di legame H-O-H è di 104,5°. Le molecole nello stato solido e liquido (e un pochino in quello gas) sono tenute aggregate dalle forze di van der Waals, che sono interazioni deboli di natura elettrostatica. Di queste, l'acqua ne possiede una in particolare, il legame a idrogeno, in cui gli atomi di idrogeno formano dei ponti tra le molecole e le tengono più coese. Nello stato liquido le molecole possono scorrere le une sulle altre, perciò questi ponti non sono permanenti, ma si rompono e riformano di continuo.

“La neve è bianca; pertanto è invisibile e non merita di essere. La neve è bianca: dunque è una poesia, una poesia di una grande purezza." (M.F.)

Quando l’acqua solidifica e diviene ghiaccio, i ponti idrogeno divengono permanenti e concorrono a formare la struttura cristallina: si formano allora degli anelli esagonali. In questa struttura ogni molecola di acqua forma due ponti con altre due molecole, quindi l’atomo di ossigeno diviene il centro di quattro interazioni di legame con altrettanti atomi di idrogeno. Una molecola con quattro legami deve però assumere una geometria tetraedrica, dove gli angoli sono di 109,5°, così da tenere i quattro atomi il più lontano possibile l’uno dall’altro e rendere stabile la struttura: e questa è la struttura cristallina del ghiaccio. Dato che l'angolo di legame si è allargato, il ghiaccio occupa un volume maggiore rispetto al liquido, quindi ha minore densità: per il principio di Archimede il ghiaccio galleggia sull'acqua.

"La neve congela la natura e la protegge; la superba, chi si crede d’essere per pretendere di rendere statua il mondo? La neve congela la natura e la protegge: dunque è una vernice, la più delicata vernice dell’inverno." (M.F.)

Ma che differenza c’è tra il ghiaccio e la neve? Per fare un'analogia, potremmo dire che il ghiaccio è come una struttura rocciosa, mentre la neve è polverosa: insomma, la stessa differenza che si ha tra la roccia e la sabbia. La formazione di un singolo fiocco di neve però è una faccenda più complessa: avviene nelle nuvole, quando il vapore acqueo ghiaccia lentamente attorno a una particella di polvere.

"La neve si trasforma continuamente; pertanto è infida. La neve si trasforma continuamente: dunque è una calligrafia, ci sono diecimila modi per scrivere la parola neve." (M.F.)

La struttura del ghiaccio è esagonale, quindi il fiocco di neve avrà una geometria di questo tipo. Nelle nubi le molecole d’acqua devono diffondere verso il fiocco in formazione, prima di essere incorporate nella struttura. Quando spontaneamente si muovono, le molecole non hanno una direzione precisa, ma sono soggette a un movimento casuale, il moto browniano, dovuto agli urti fra molecole. Questo modo di spostarsi aumenta di molto il tempo che impiegano ad arrivare in un determinato punto e a entrare a far parte della struttura in costruzione, in quanto le probabilità di avvicinarsi e di allontanarsi sono le medesime. La distanza gioca un ruolo fondamentale: più spazio devono percorrere, più saranno soggette al moto casuale browniano.

"La neve è sdrucciolevole; chi mai può provare piacere a cadere sulla neve? La neve è sdrucciolevole: dunque è una danza, sulla neve ogni uomo può credersi funambolo." (M.F.)

Partendo dall'organizzazione esagonale, la struttura del fiocco di neve diviene dendritica, come quella di un fulmine, con ramificazioni che si vanno a estendere. Il modo in cui si formano e la struttura finale dipendono dall’umidità, dalla temperatura della nube e dal tipo di disposizione che assume la struttura attorno alla particella di polvere. Dato che il tutto è soggetto al moto casuale browniano, non esistono due fiocchi di neve che siano perfettamente identici, perché il tutto è governato dal caso; o meglio, è qualcosa di estremamente improbabile, anche se non impossibile.

"La neve si muta in acqua; lo fa per meglio inondarci durante il disgelo. La neve si muta in acqua: dunque è una musica, in primavera trasforma fiumi e torrenti in sinfonie di note bianche." (M.F.)