Ma prima di evidenziare le anomalie dell’acqua rispetto alle altre sostanze cerchiamo di capirne la causa, che risiede nella sua struttura molecolare.

Queste due zone con carica opposta danno origine ad una configurazione dipolare, che genera attrazione tra le varie molecole d’acqua, un’interazione chiamata appunto “dipolo-dipolo”.

Ma c’è un’altra forza che attrae tra loro le molecole d’acqua, più intensa di quella dovuta all’interazione dei dipoli (ma minore del legame covalente altrimenti le molecole si dissocerebbero); si tratta del cosiddetto legame idrogeno (o ponte idrogeno), a cui vanno attribuite le eccezionali proprietà fisiche dell’acqua.

Questo legame è dovuto alla presenza nella molecola degli atomi di idrogeno, che tendono a legarsi con gli atomi di ossigeno delle altre molecole vicine, con un’intensità esaltata dall’elevata elettronegatività dell’ossigeno, cioè dalla sua capacità di attrarre gli elettroni dei legami covalenti in cui è coinvolto, nello specifico l’idrogeno, che risulta con una parziale carica positiva e disponibile così al legame intermolecolare. Il legame idrogeno genera un’attrazione tra le molecole d’acqua con un’intensità che non ha eguali negli altri liquidi.

MOLECOLA DELL'ACQUA, La molecola della vita. L'acqua è un composto chimico che ha come formula molecolare la sigla H2O: questa sigla misteriosa significa che ogni molecola di acqua è composta da un atomo di ossigeno (la “O” della formula) e da due atomi di idrogeno (la “H”)

Fatta luce sulla particolare struttura molecolare, è possibile comprendere meglio la natura anomala e le straordinarie caratteristiche dell’acqua e di alcuni suoi comportamenti, così frequenti nella vita di tutti i giorni da sembrare normali.

Le molecole d’acqua possono formare quattro legami idrogeno con le loro vicine, per creare una struttura tetraedrica le cui facce sono triangoli equilateri. Questa configurazione si ripete in tutto il liquido fino a formare una sorta di reticolo tridimensionale mobile, elastico, con legami che si formano e si rompono di continuo, con una frequenza dell’ordine di 10-12 secondi. L’acqua non è quindi un semplice insieme di molecole tra loro dissociate, bensì una struttura legata, che come tale si comporta anche a livello macroscopico.

La temperatura di ebollizione (e quella di fusione) dell’acqua è molto più alta rispetto a quella di altre molecole simili, che si trovano infatti lo stato gassoso. L’acido solfidrico (H2S) è un gas, così come lo solo il metano (CH4), l’ammoniaca (NH3) e l’acido cloridrico (HCl), tutte molecole di dimensioni paragonabili a quella dell’acqua e con la presenza di atomi di idrogeno. A temperatura ambiente, quindi, l’acqua dovrebbe presentarsi allo stato gassoso e non liquido, tuttavia grazie ai forti legami idrogeno l’acqua presenta un punto di ebollizione enormemente più alto rispetto a quello delle sostanze molecolarmente simili. Per esempio l’acido solfidrico è una molecola con struttura affine a quella dell’acqua, ma lo zolfo è meno elettronegativo dell’ossigeno così i legami idrogeno che si generano sono debolissimi, quasi inesistenti.

L’acqua ha un elevato calore specifico, questo significa che occorre molta energia per innalzarne la temperatura (4,184 J/g °C), una quantità superiore rispetto a quella richiesta da molte altre sostanze. Questa proprietà dipende ancora dai legami a idrogeno: l’agitazione termica delle molecole viene contrastata dalle forze di attrazione e una delle principali conseguenze di questo fatto è il volano termico, ovvero l’effetto calmierante sul clima dovuto alle grandi masse d’acqua.

Si utilizzano spesso anche le unità J/g K (o °C, che è la stessa cosa), e cal/g °C. Il calore specifico dell'acqua è, per esempio, 4186 J/kg K, che corrisponde a 4,186 J/g °C e a 1 cal/g °C

Il calore specifico di una sostanza è definito come la capacità termica per unità di massa di una quantità fissata di sostanza. Corrisponde alla quantità di calore necessaria per innalzare, o diminuire, di un valore assegnato la temperatura di una quantità fissata di sostanza.

A seconda della grandezza fisica utilizzata per definire la quantità fissata, esistono più grandezze che quantificano il calore specifico.

Nella forma più elementare, il calore specifico è espresso per unità di quantità di sostanza, e corrisponde ad un numero adimensionale. In questo caso è appropriato parlare di capacità termica unitaria.