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.

dsc03413_23478830914_o

Il ghiaccio come minerale

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”.

Esempi di cristalli naturali

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 (Di Aangelo – Opera propria, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3099389)
Quarzo ialino (Di Didier Descouens – Opera propria, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6494817)
Cristallo cubico di pirite (Di DidierDescouens – Opera propria, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7011329)
Diamante grezzo in forma ottaedrica (Di Parent Géry – Opera propria, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6082597)

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

La forma dei cristalli di ghiaccio

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.

Ciò è possibile perché una molecola d’acqua ha la seguente forma:

Schema di una molecola d’acqua (Di Water_molecule_dimensions.svg: Booyabazookaderivative work: Neq00 (talk) – Water_molecule_dimensions.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15705157)

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). Il risultato è una molecola neutra nel complesso ma con un lato positivo e uno negativo.

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.

Esempi di cristalli di ghiaccio

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

Di Wilson Bentley – Plate XIX of “Studies among the Snow Crystals … ” by Wilson Bentley, “The Snowflake Man.” From Annual Summary of the “Monthly Weather Review” for 1902., Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22130

Naturalmente è impossibile mettere in questo articolo tutte le forme possibili, perché sono infinite.

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

Avatar

Ivan Berdini

Zoologo e appassionato di fotografia