Le meraviglie dei cristalli di ghiaccio

Anche se lo scorso mese di dicembre la neve si è fatta desiderare, apriamo il 2016 con un articolo su un fenomeno tanto scontato quanto affascinante: la simmetria dei cristalli di ghiaccio.

Il ghiaccio può essere considerato un minerale a tutti gli effetti. So che molti di voi faranno fatica a digerire questa affermazione, ecco perché iniziamo chiarendo il concetto di “minerale”.

Un minerale è un solido inorganico dalla composizione chimica ben definita e che si presenta in forma di cristalli. Un cristallo è un oggetto composto da atomi, molecole o ioni disposti secondo una precisa disposizione geometrica. Questa proprietà è fondamentale perché spiega il motivo per cui i cristalli sono così regolari: la regolarità della loro struttura microscopica induce una regolarità anche in quella macroscopica, che viene definita “abito cristallino”.

Esistono in natura migliaia di minerali diversi, alcuni dalle fome davvero notevoli. Vale quindi la pena di vedere qualche esempio prima di trattare il ghiaccio.

Leucite, un minerale molto comune nelle lave di Lazio e Campania

Quarzo ialino

Pirite

Diamante grezzo

Aragonite

Nessuna di queste pietre e stata tagliata: si sono formate così e così sono state trovate.

Il ghiaccio non è altro che acqua nella sua forma solida, che sul nostro pianeta è relativamente rara e si può trovare solo in determinate stagioni (inverno) o luoghi (alta montagna o regioni polari). Fra l’altro l’acqua è l’unica sostanza nota che è meno densa allo stato solido rispetto a quello liquido: infatti il ghiaccio galleggia sull’acqua, al contrario di una barra di ferro che invece va a fondo se posta in un crogiolo di ferro fuso. Infatti la massima densità per l’acqua non si ha nel ghiaccio ma nell’acqua liquida alla temperatura di 4°C.
Questo fenomeno è legato alla cristallizzazione dell’acqua: quando essa solidifica le molecole d’acqua assumono una disposizione ben precisa che di base richiama gli esagoni laterarli.

Struttura microscopica di un cristallo di ghiaccio

Ciò è possibile perché una molecola d’acqua ha le seguenti forma e polarità:

La polarità della molecola è provocata dal fatto che l’atomo di ossigeno è molto più grande rispetto a quelli di idrogeno, quindi ha una capacità molto superiore di attirare a sé gli gli elettroni degli altri due atomi (in chimica si dice che l’ossigeno è più “elettronegativo” dell’idrogeno), accumulando le cariche negative dal suo lato e lasciando scoperte le cariche positive degli idrogeni. La distanza tra idrogeno e ossigeno indicata in figura è di 95,84 picometri, cioè 0,00000009584 millimetri, tanto per farvi capire quanto sia piccola una molecola d’acqua (un picometro equivale a un miliardesimo di millimetro).

Duranta la cristallizzazione del ghiaccio le cariche positive si orientano verso quelle negative e viceversa, creando una rete di esagoni come quella vista poco fa. Per questol’acqua forma sempre cristalli di forma esagonale, ma la cristallizzazione è un processo casuale e quindi sebbene la base sia sempre la forma geometrica nota come esagono, è impossibile che si formino due cristalli uguali: se ne possono trovare di simili, ma mai di uguali. Dato che durante ogni nevicata piovono milioni di fiocchi di neve formati da questi cristalli, pensate quanto possa essere vasta la varietà di forme di cui stiamo parlando: eccessiva anche solo da immaginare.

Vediamo alcuni esempi di spettacolari cristalli di ghiaccio: che ho trovato in rete:

Naturalmente è impossibile mettere in questo articolo tutte le forme possibili, perché sono infinite. Concludiamo consigliando di visitare questo link, che porta ad alcune immagini storiche di cristalli di ghiaccio, risalenti all’inizio del XX secolo e conservate negli archivi del National Geographic.

La neve dovrebbe arrivare anche quest’anno, sebbene con un po’ di ritardo, non ci resta che attendere i primi fiocchi.