Esiste acqua senza legami a idrogeno?

I legami a idrogeno sono tra le interazioni intermolecolari più conosciute, tra le più frequenti in natura, tra le più citate per spiegare i comportamenti di fluidi e sistemi macromolecolari di vario tipo. Sono detti anche a ponte idrogeno per sottolineare la loro capacità di costruire complesse reti semimobili di dipoli molecolari disposti tetraedricamente (nel caso dell'acqua).

Sono proprio i legami a idrogeno a rendere l'acqua il solvente biologico per eccellenza e sono alla base delle sue caratteristiche chimico-fisiche. È difficile pensare all'acqua senza richiamare i legami a idrogeno, ché sarebbe come pensare a un tiramisù senza caffè, a un piatto di cozze senza i gusci: un abominio. Ma lo sapete come sono gli scienziati, se una cosa è abominevole allora non dico che vada fatta, ma per lo meno va pensata, ponderata, immaginata. Ci sarà un motivo se sono detestati da tutti, no? Oltre al resto, per lo meno.¹

I legami a idrogeno sono importanti, va bene, ma lo sono anche in condizioni supercritiche? E se sì, quanto sono importanti? Se lo è chiesto un gruppo tedesco di due ricercatori dell'Università di Bochum. A detta di Wikipedia:

Un fluido si dice essere in uno stato supercritico (e si dice fluido supercritico) quando si trova in condizioni di temperatura superiore alla temperatura critica e pressione superiore alla pressione critica. In queste condizioni, le proprietà del fluido sono in parte analoghe a quelle di un liquido (ad esempio la densità) e in parte simili a quelle di un gas (ad esempio la viscosità).

Superata la temperatura critica, infatti, si perde proprio la caratteristica struttura tetraedrica dell'acqua, quindi è chiaro che il legame a idrogeno ne risulta indebolito; ma quanto? Non è la prima volta che ce lo si chiede e non è una questione di mero interesse accademico, poiché potrebbe avere ripercussioni su svariate applicazioni industriali e nelle analisi geologiche di aree vulcaniche.

Studi di scattering neutronico suggerivano che l'acqua supercritica fosse circa priva di legami H², mentre le evidenze all'NMR mostravano che più di un quarto dei legami a idrogeno presenti a temperatura inferiore a quella critica sopravvivessero anche a temperature lievemente superiori.³

I due chimici, per dirimere la questione, si sono avvalsi di una simulazione di dinamica molecolare ab initio su 128 molecole per 120 nanosecondi (e sì, è un calcolo molto esigente); è venuto fuori che in questo stato le molecole di acqua non hanno tempo a sufficienza per far sì che le interazioni persistano e che quindi la risposta a quante interazioni sopravvivano in stato supercritico dovrebbe essere "nessuna".⁴

Ma proprio nessuna? La questione si sposterebbe sulla pura teoria, poiché dipende da ciò che intendiamo per "legame", dato che comunque delle interazioni tra i dipoli esistono e anche loro giustamente contribuiscono all'energia del sistema. D'altra parte, come fanno notare i ricercatori, si tratta di interazioni davvero deboli che durano in media solo 78 femtosecondi e che lo stesso momento di dipolo della molecola d'acqua è enormemente indebolito rispetto alla norma, proprio a causa del fatto che viene meno la dinamica "di gruppo" del legame H e invece persiste a malapena l'interazione tra coppie di molecole.

Se si può dibattere intorno alla definizione del legame, ciò che è certo è che l'assenza di consolidati network di legami H di "lunga durata" è ciò che rende l'acqua supercritica un solvente totalmente diverso dall'acqua a temperatura ambiente e che per tale va preso.

Cover: Photo by Kushagra Kevat on Unsplash