Ma l’acqua è davvero H2O?

 

Il grande matematico e filosofo americano Hilary Putnam (1926-2016), in un famoso articolo del 1975 intitolato The meaning of “meaning” (Il significato di “significato”) propose un esperimento mentale detto della Terra Gemella (Twin Earth) per illustrare la sua idea dell'esternalismo semantico, cioè che i significati delle parole non sono puramente psicologici. L'esternalismo semantico è l'idea che il significato di un termine sia determinato, in tutto o in parte, da fattori esterni al parlante. Secondo una posizione esternalistica, si può affermare senza contraddizione che due parlanti potrebbero trovarsi esattamente nello stesso stato cerebrale al momento di un'enunciazione, e tuttavia significare cose diverse con quell'enunciato, cioè il termine individua un'estensione diversa. 

La formulazione originale dell'esperimento di Putnam suppone che ci sia un pianeta esattamente come la Terra in quasi tutti gli aspetti, che chiamiamo "Terra gemella". Sulla Terra Gemella, c'è un equivalente gemello di ogni persona e cosa qui sulla Terra. L'unica differenza tra i due pianeti è che non c'è acqua sulla Terra Gemella. Al suo posto c'è un liquido che è superficialmente identico, ma chimicamente diverso, essendo composto non da H₂O, ma da qualche formula più complicata che abbreviamo come "XYZ". I Gemelli Terrestri chiamano XYZ "acqua". Infine, la data dell’esperimento mentale si colloca diversi secoli fa, quando i residenti della Terra e della Terra gemella non avrebbero avuto modo di sapere che i liquidi che chiamavano "acqua" erano rispettivamente H₂O e XYZ. L'esperienza delle persone sulla Terra con l'acqua e quella di quelle sulla Terra Gemella con XYZ sarebbe identica. 

Ora sorge la domanda: quando un terrestre (o Oscar per semplicità) e il suo gemello su Twin Earth dicono "acqua", significano la stessa cosa? (Il gemello è chiamato "Oscar" sul suo stesso pianeta, ovviamente. In effetti, gli abitanti di quel pianeta chiamano il proprio pianeta "Terra". Per comodità, estendiamo questa convenzione di denominazione per gli oggetti e le persone che lo abitano, in questo caso riferendosi al gemello di Oscar come Oscar₂). Ex hypothesi, si trovano in stati psicologici identici, con gli stessi pensieri, sentimenti, ecc. Eppure, almeno secondo Putnam, quando Oscar dice "acqua", il termine si riferisce a H₂O, mentre quando Oscar₂ dice "acqua" si riferisce a XYZ. Il risultato di ciò è che i contenuti del cervello di una persona non sono sufficienti per determinare il riferimento dei termini che usano, poiché si deve anche esaminare la storia causale che ha portato questo individuo ad acquisire il termine. (Oscar, per esempio, ha imparato la parola "acqua" in un mondo pieno di H₂O, mentre Oscar₂ ha imparato "acqua" in un mondo pieno di XYZ.) 

Questa è la tesi essenziale dell'esternalismo semantico. Putnam ha riassunto notoriamente questa conclusione con l'affermazione che "i 'significati' semplicemente non sono nella testa". 

Fin qui il pensiero di Putnam, che dà per scontato che sul nostro pianeta l’acqua sia H₂O. Ovviamente l’esperimento mentale scatenò numerose polemiche nella comunità filosofica, ma non è il caso di occuparcene qui. 

Ma siamo sicuri che sia sufficiente definire la nostra acqua come H₂O? Avere una microstruttura essenziale comune è sufficiente per individuare i tipi chimici e spiegarne le caratteristiche generali? 

La tesi essenzialista è spesso esemplificata scrivendo “acqua = H₂O” oppure “(tutta e solo) l'acqua è H₂O”. In realtà, "H₂O" non è una descrizione di alcuna microstruttura. Piuttosto, "H₂O" è una formula compositiva, che descrive le proporzioni combinate di idrogeno e ossigeno per produrre l’acqua. 

Ma che cosa intendiamo veramente quando diciamo che la molecola di acqua è H₂O? Sebbene la formula sembri semplice, l'acqua mostra proprietà chimiche e fisiche molto complesse. Ad esempio, il suo punto di fusione, 0° C, e il punto di ebollizione, 100 ° C, sono molto più alti di quanto ci si aspetterebbe rispetto a composti analoghi, come acido solfidrico e ammoniaca. Nella sua forma solida, il ghiaccio, l'acqua è meno densa di quando è liquida, un'altra proprietà insolita. La radice di queste anomalie risiede nella struttura elettronica della molecola d'acqua. 

La molecola d'acqua non è lineare ma inclinata. I due atomi di idrogeno sono legati all'atomo di ossigeno con un angolo di 104,45° a temperatura ambiente, ma che è funzione dell’energia disponibile.

La distanza O―H (lunghezza del legame) è normalmente 95,8 picometri (9,58 × 10^-11 metri). Poiché un atomo di ossigeno ha un'elettronegatività maggiore di un atomo di idrogeno, i legami O―H nella molecola d'acqua sono polari, con l'ossigeno con una carica negativa parziale (2δ−) e gli idrogeni con una carica positiva parziale (δ+). 

La disposizione degli elettroni nella molecola d'acqua può essere rappresentata come segue.

Ogni coppia di punti rappresenta una coppia di elettroni non condivisi (cioè, gli elettroni che risiedono solo sull'atomo di ossigeno). 

Una parafrasi ragionevole della formulazione acqua = H₂O sarebbe allora "L'acqua è un insieme di molecole di H₂O". Tuttavia, sebbene l'espressione "molecola di H₂O" descriva una particolare microentità, non esaurisce in alcun modo i tipi di microparticelle nell'acqua e non dice nulla della microstruttura con cui sono correlate nell'acqua. Descrivere completamente la microstruttura dell'acqua implica l'elaborazione dei dettagli di questa struttura interconnessa, nonché il dettaglio di come dipendono dalla temperatura, dalla pressione e dai campi elettromagnetici e come cambiano nel tempo. 

Come molte altre sostanze, l'acqua non può essere semplicemente descritta come un insieme di singole molecole. Ecco solo alcuni esempi della complessità della sua microstruttura: l'acqua si auto-ionizza, il che significa che gli ioni idrogeno e idrossido coesistono con le molecole di H₂O nell'acqua liquida, ricombinandosi continuamente per formare molecole di H₂O. Allo stesso tempo, le molecole di H₂O si associano in specie polimeriche più grandi. Menzionare queste complessità non è pedanteria, perché sono spesso ciò che dà origine alle caratteristiche più sorprendenti delle sostanze. Ad esempio, la conduttività elettrica dell'acqua è dovuta a un meccanismo in cui una carica positiva (ione idrogeno) si attacca in un punto di un cluster polimerico, inducendo un trasferimento coordinato di carica attraverso il cluster, rilasciando uno ione idrogeno in un qualche punto distante. L'effetto è che la carica viene trasferita da un punto all'altro senza un trasferimento di materia per trasportarla. Il legame idrogeno alla base della formazione dei cluster è anche alla base di molte altre proprietà distintive dell'acqua, inclusi i suoi alti punti di fusione e di ebollizione e il suo aumento di densità allo scioglimento. 

Gli atomi di idrogeno nelle molecole d'acqua sono attratti da regioni ad alta densità elettronica e possono formare legami deboli (legami idrogeno), con quelle regioni. Ciò significa che gli atomi di idrogeno in una molecola d'acqua sono attratti dalle coppie di elettroni non leganti dell'atomo di ossigeno su una molecola d'acqua adiacente. Si ritiene che la struttura dell'acqua liquida sia costituita da aggregati di molecole d'acqua che si formano e si riformano continuamente. Questo ordine a corto raggio, come viene chiamato, spiega altre proprietà insolite dell'acqua, come la sua elevata viscosità e tensione superficiale. 

Lo stato liquido dell'acqua ha una struttura molto complessa, che comporta indubbiamente una notevole associazione delle molecole. L'esteso legame idrogeno tra le molecole nell'acqua liquida produce valori molto più grandi per proprietà come viscosità, tensione superficiale e punto di ebollizione di quanto ci si aspetterebbe per un tipico liquido contenente piccole molecole. Ad esempio, in base alle dimensioni delle sue molecole, ci si aspetterebbe che l'acqua abbia un punto di ebollizione di quasi 200° C inferiore al punto di ebollizione osservato. In contrasto con gli stati condensati (solido e liquido) dell'acqua, che mostrano un'ampia associazione tra le molecole d'acqua, la sua fase gassosa (vapore) contiene molecole d'acqua relativamente indipendenti a grandi distanze l'una dall'altra e comunque in grado, in particolari condizioni, di auto-ionizzarsi. 

Forse l'acqua non è semplicemente una raccolta di molecole di H₂O, ma ha certamente una microstruttura e forse la tesi essenzialista potrebbe essere riformulata sulla falsariga di "L'acqua è qualunque cosa abbia la sua microstruttura", scrivendo le informazioni che salverebbero la frase dalla tautologia. Ma questa tesi sostiene ancora l'idea che "acqua" sia un predicato caratterizzato da quelle che Putnam chiama caratteristiche stereotipate. Ciò trascura l'importanza di proprietà macroscopiche, ma scientificamente importanti, come punto di ebollizione, calore specifico, calore latente e così via, da cui si deduce gran parte della microstruttura. In effetti, molti dei criteri utilizzati dai chimici per determinare l'uniformità e la purezza delle sostanze sono macroscopici, non microscopici. Infatti, gli standard internazionali per determinare la purezza di sostanze come l'acqua dipendono dall'attenta determinazione di proprietà macroscopiche come il punto triplo, la temperatura e la pressione in cui esistono contemporaneamente le fasi liquida, gassosa e solida. 

Quindi l'acqua è H₂O? Alla fine, la risposta a questa domanda si riduce a come si interpreta questa frase. Molti sarebbero sorpresi di scoprire che l'acqua non è solo H₂O, ma forse ciò avviene perché leggono "H₂O" come un'abbreviazione o come una formula compositiva. L'acqua è in realtà caratterizzata dal fare riferimento sia alle sue caratteristiche macroscopiche sia a quelle microstrutturali. 

Per questi motivi, le affermazioni essenzialiste dovrebbero essere basate sulla classificazione e spiegazione chimica: i sistemi di nomenclatura sviluppati dalla IUPAC si basano interamente sulla microstruttura, così come le spiegazioni teoriche del comportamento chimico e spettroscopico delle sostanze. D'altra parte, la formula H₂O non riesce a tenere conto dell'uso del termine "acqua" nelle lingue naturali. Il pluralismo è una risposta obbligata a queste tensioni. 

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 Ringrazio l’amico Alfredo Tifi, che con un post del 28 aprile scorso nel gruppo Facebook di Didattica della Chimica ha stimolato queste riflessioni pseudo-filosofico-chimiche.