La densità dell'acqua è di
1 g/cm3 a 4 °C

Il ghiaccio ha una densità più bassa rispetto a quella dell'acqua allo stato liquido.

 

Ciò è dovuto ai legami idrogeno che creano dei vuoti nella struttura del ghiaccio. La densita' dell'acqua ha un massimo a 4°C. L'acqua si dilata sia al di sopra sia al di sotto.La dilatazione all'abbassarsi della temperatura non si verifica per nessun altro liquido. Questo fatto spiega perchè i laghi gelino innanzitutto in superficie.
Se l'acqua solida non avesse questa caratteristica molti mari sarebbero completamente congelati, limitando la vita sul nostro pianeta. E' bene precisare che la maggior parte delle sostanze diventano progressivamente piu' dense col diminuire della loro temperatura perchè a ciò' corrisponde una diminuzione dell'energia cinetica (di movimento) delle molecole, le quali muovendosi più lentamente tendono ad avvicinarsi mediante reciproche forze di attrazione.Tutto questo è vero anche per l'acqua finche' essa raggiunge i 4°C, temperatura alla quale ha il massimo di densita'.
Se la temperatura si abbassa ulteriormente fino al punto di congelamento (0°C) la densità dell'acqua diminuisce bruscamente perchè la struttura molecolare dei ponti a idrogeno si risalda fino a costituire un reticolo cristallino in cui ogni molecola è vincolata ad altre quattro molecole; si formano, così, ampi spazi vuoti nell' intera struttura che determinano aumenti di volume nella massa acquatica. L' aumento di volume corrisponde ad una diminuzione della densità e ciò consente il galleggiare del ghiaccio sull' acqua.
Nell' acqua liquida, poichè la struttura cristallina sopra descritta è meno regolare, gli spazi vuoti tra le molecole non esistono.

ESPERIMENTO

Obiettivo: Comprendere quando l’acqua ha densità maggiore e in quale stato.

Basi teoriche: La densità dell’acqua, alla temperatura di 4° C, è di 1 g/cm3. Nell’acqua, un atomo di ossigeno si lega a due atomi di idrogeno mediante un legame covalente polarizzato, perciò gli elettroni passano maggior parte del loro tempo attorno al nucleo dell’ossigeno, che acquista una debole carica negativa. Viceversa l’idrogeno acquista una parziale carica positiva. Fra due molecole di acqua, si forma così un legame, perché le cariche negative deboli dell’ossigeno sono attratte da quella positiva dell’ idrogeno e tendono ad unirsi. Questi legami temporanei, che si formano e si rompono, sono detti legami a idrogeno: ogni atomo di idrogeno è attratto da un atomo di ossigeno appartenente ad un’altra molecola. Allo stato solido i legami diventano più stabili e danno luogo a una struttura con ampi spazi vuoti, nella quale le molecole non possono accorciare le reciproche distanze. Per questo il volume aumenta e, di conseguenza, la densità diminuisce. La densità infatti è la massa dell’unità di volume d = m/V. Tale aumento di volume, in relazione alla diminuzione della temperatura, è un fatto eccezionale perché le sostanze diminuiscono di volume se sono raffreddate. Nello stato liquido, invece, le molecole sono più libere e i legami meno stabili perciò il loro volume è minore che allo stato solido.Riscaldando ulteriormente l’acqua, invece, gli spazi fra le molecole aumentano perché esse sono più libere di muoversi, i legami a idrogeno si rompono e il volume aumenta. Di conseguenza, l’acqua calda ha densità minore di quella fredda.

Materiali: Becco Bunsen, provetta, pinza di legno, termometro, acqua, ghiaccio, pallina.

Procedimento
Riempiamo la provetta di acqua e aggiungiamo il ghiaccio. Poi per far affondare il ghiaccio mettiamo dentro la provetta una pallina di ferro sopra il ghiaccio.

Accendiamo il Bunsen e, impugnando la provetta con la pinza di legno riscaldiamo solamente la parte superiore della provetta. Misuriamo, poi, la temperatura dell’acqua sia in alto che in basso.

In fine riscaldiamo la parte inferiore fino a che il ghiaccio non si è
sciolto del tutto. Misuriamo ancora la temperatura dell’acqua sia in alto che in basso.

Osservazioni

Il ghiaccio galleggia sopra all’acqua nella provetta, ma con la pallina sopra, esso va a fondo, perché la pallina ha densità maggiore dell’acqua.

Quando riscaldiamo la prima volta e misuriamo la temperatura dell’ acqua nella parte alta notiamo che essa è maggiore di quella dell’acqua stratificata in fondo: infatti in alto è di 88°C, mentre in basso, sopra la pallina (non è possibile misurare la temperatura dell’acqua sotto la pallina) è di 22°C. Nel fondo della provetta il ghiaccio non si è sciolto quindi la temperatura del ghiaccio fondente sarà 0°C.

Dopo aver riscaldato in basso, il ghiaccio si è sciolto. La temperatura dell’ acqua che si trova in alto è esattamente uguale a quella che si trova in basso, 55°C.

Conclusioni:

la densità del ghiaccio è minore di quella dell’acqua liquida.

la densità dell’ acqua calda è minore di quella dell’acqua fredda. L’acqua fredda, più pesante, rimane sul fondo mentre l’acqua calda più leggera rimane in superficie e non si ha il rimescolamento.

Dopo aver riscaldato in basso, l’acqua calda più leggera è salita verso l’alto e l’acqua fredda più pesante è scesa verso il basso:si sono create delle correnti invisibili che hanno rimescolato l’acqua e così la temperatura è la stessa in tutte le parti. Nel mare l’acqua è più calda in superficie dove viene scaldata dal sole. La temperatura dell’acqua decresce lentamente con la profondità. Nello strato di transizione “termoclino” la temperatura subisce un brusco calo mentre l’acqua dello strato profondo (oltre gli 800 metri) ha una temperatura abbastanza costante perciò le acque profonde non si mescolano con le acque superficiali.