L’esperimento di scienze per eccellenza consiste nell’unire acqua ed olio e rendersi conto che non si mischiano, ma formano due fasi separate. Perché separandosi l’acqua va sempre sotto l’olio e mai il contrario? La risposta a questa domanda è in grado di spiegare, allo stesso tempo, come fanno le navi a galleggiare.
L’esperimento è facilmente riproducibile a casa. Il materiale occorrente è:
- 2 bicchieri identici,
- acqua,
- olio,
- 1 foglietto di plastica (più è sottile e resistente e meglio è).
I passaggi per mettere in atto l’esperimento sono pochi e semplici:
- innanzitutto bisogna riempire i due bicchieri uno di acqua e uno d’olio fino all’orlo,
- poi bisogna appoggiare il foglietto di plastica sul bicchiere d’acqua, curandosi del fatto che l’acqua tocchi la plastica,
- mantenendo con una leggera pressione il foglietto di plastica attaccato al bicchiere, bisogna capovolgere il bicchiere (al quale resterà attaccato il foglietto) e appoggiarlo precisamente sul bicchiere pieno d’olio,
- sfilare delicatamente il foglietto ed assistere al passaggio dell’olio nel bicchiere di sopra e dell’acqua nel bicchiere di sotto.
Oltre a notare che l’acqua scende verso il bicchiere inferiore e l’olio sale riempiendo il bicchiere superiore, è lecito chiedersi come mai i due liquidi non si mischiano fra loro formando un unico miscuglio, come ad esempio succede se si ripete l’esperimento con acqua ed acetone.
Acqua ed olio: perché non si mischiano
La molecola d’acqua (H20) è formata da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno legati fra loro. Per via delle caratteristiche di idrogeno e ossigeno, la molecola d’acqua presenta una leggera carica positiva nella zona dei due atomi di idrogeno ed una leggera carica negativa nella zona dell’atomo di ossigeno: la molecola d’acqua assomiglia quindi molto ad un magnete, con un polo positivo ed uno negativo.
Molecole come quella dell’acqua vengono chiamate polari proprio per via del fatto che presentano due poli, uno positivo ed uno negativo. Analogamente, esistono delle molecole che non hanno nessuna zona particolarmente carica e sono generalmente neutre, chiamate appunto apolari, come l’olio. Ebbene, le molecole delle sostanze polari non riescono a creare legami con le molecole delle sostanze apolari, cioè macroscopicamente non si mischiano.
Le sostanze polari invece si mischiano bene con le sostanze polari, stessa cosa vale per le sostanze apolari con altre sostanze apolari. Molto esplicativa la seguente frase: il simile scioglie il simile. Quindi essendo l’acqua una sostanza polare e l’olio una sostanza apolare, è chiaro il motivo per il quale, mischiandole, non vedremo mai le due sostanze unite in un unico liquido omogeneo, ma riusciremo sempre a distinguere dov’è l’olio e dov’è l’acqua.
Abbiamo capito, quindi, perché acqua ed olio sono immiscibili, ma ancora non è chiaro perché l’olio tende a salire sopra l’acqua: sarà molto utile a far luce sulla questione il concetto di densità.
Densità: cos’è e perché ne parliamo
La densità di un corpo è definita come il rapporto fra la massa dello stesso ed il volume occupato da tale massa, ovvero dal corpo. La densità indica sostanzialmente quanto le molecole di un oggetto sono vicine fra di loro: in parole povere, più la densità è alta e più un oggetto è pesante e sarà attratto verso il basso dalla forza di gravita, a parità di volume. Quindi un cubo di Rubik di piombo è più pesante di un cubo di Rubik di plastica, essendo la densità del piombo più alta di quella della plastica.
La densità dell’olio è minore rispetto quella dell’acqua: l’effetto è che l’olio risulta più leggero dell’acqua e quindi tende a stratificarsi sopra di essa piuttosto che sotto.
Lo stesso effetto lo ritroviamo con l’aria calda e l’aria fredda. L’aria calda è meno densa dell’aria fredda, cioè le sue molecole sono più distanti fra di loro rispetto a quelle dell’aria fredda e, quindi, la massa di aria calda risulta più leggera rispetto quella di aria fredda e tende a salire verso l’alto.
Questo è il motivo per il quale i caloriferi nelle abitazioni sono installati in basso mentre i condizionatori sono installati in alto sotto al soffitto: nel primo caso l’aria riscaldata dal calorifero, che e più leggera, tenderà a salire verso il soffitto e spingerà in basso l’aria fredda, la quale sarà riscaldata dal calorifero; nel secondo caso l’aria fredda emessa dal condizionatore tenderà a cadere verso la parte bassa della stanza e a spingere l’aria calda verso l’alto, dove sarà raffreddata dal condizionatore.
Siamo molto vicini a comprendere come fanno le navi a galleggiare, pur essendo molto grandi e fatte di materiali pesanti. Approfondiamo l’argomento nel prossimo paragrafo.
Le navi galleggiano: ma come è possibile?
Al fenomeno del galleggiamento delle imbarcazioni siamo abituati ad assistere sin da piccoli e ci appare, quindi, una cosa naturale, scontata. Se però facciamo caso al fatto che le navi il più delle volte sono costruite con materiali che, se messi da soli in acqua, non galleggerebbero (ad esempio il ferro) perché molto più densi dell’acqua, allora il fatto che le navi galleggino non ci appare più così scontato.
Il galleggiamento delle imbarcazioni lo dobbiamo al principio di Archimede, secondo il quale, brevemente, galleggiano gli oggetti il cui volume immerso nel fluido ha una densità minore di quella del fluido stesso. Una sfera di legno, quindi, galleggerà in acqua perché la sua densità e minore di quella dell’acqua, mentre una sfera di acciaio affonderà per via della sua densità molto più elevata di quella dell’acqua.
Come è possibile, quindi, che una nave d’acciaio galleggi, nonostante la più alta densità dell’acciaio rispetto quella dell’acqua? La risposta sta nel fatto che, secondo il principio di Archimede, bisogna considerare la densità di tutto il volume immerso in acqua, e non solo quello dell’acciaio della carena della nave. Essendo la nave vuota nella parte sottostante (o meglio, piena d’aria, la quale ha una densità molto minore di quella dell’acqua), la densità complessiva del volume immerso in acqua formato dall’acciaio della carena più l’aria interna è minore della densità dell’acqua: per il principio di Archimede, quindi, la nave riesce a galleggiare.
Lo sapevi che…
Nelle zone della terra dove il freddo è molto intenso, non è raro trovare dei laghi ghiacciati. Di questi laghi, però, solitamente non ghiaccia tutta l’acqua che li compone, ma solo un più o meno sottile strato superficiale. Lo strato superficiale ghiacciato ha una funzione ben specifica: funge da scudo termico fra il lago ed il freddo dell’ambiente sovrastante, mantenendo l’acqua del lago ad una certa temperatura sopra lo zero e permettendo alle specie viventi che lo popolano di non morire ghiacciati.
E come mai lo strato ghiacciato si forma proprio nella zona superficiale del lago e non a mezza altezza o sul fondo? Perché il ghiaccio ha una densità minore dell’acqua, tende a salire in superficie e a galleggiarvi, stesso motivo per il quale gli iceberg galleggiano.
a cura di Nicola Salvemini