LA SOSTENIBILE SOLITUDINE DEL DOPPIETTO SOLITARIO

C'è un doppietto di elettroni solo soletto, e infatti in inglese si chiama lone pair. Ha un gemello, con cui non ha contatti. Se ne stanno in due di quelle combinazioni lineari di funzioni d'onda che sono gli orbitali sp3 della molecola d'acqua  (2s+3 2p=4 sp3), anche se in realtà la cosa è appena più complessa: Ψ1=1/2Φs+√3/2Φpz per il primo degli orbitali ibridati, dove Ψ1 è la funzione d'onda dell'orbitale ibridato 1, Φs quella dell'orbitale 2s, Φpz quella dell'orbitale 2pz. Chiaramente stiamo parlando di un modello, il migliore disponibile da una ottantina di anni a questa parte e lo dobbiamo a quella che ormai si chiama chimica quantistica. Ai miei tempi universitari il concetto di "chimica quantistica" di fatto non esisteva: vedevi una funzione d'onda per la prima volta a Chimica Generale I, a Chimica Generale II ci prendevi confidenza e a Chimmica Fisica II ti dovevi produrre in lavagnate di equazioni. Il che significa che allora una funzione d'onda doveva essere nel DNA di qualsiasi chimico, senza distinzioni tra analitici, organici, inorganici, chimici fisici, teorici e industriali. Ma questo accadeva ormai molto tempo fa. Già più di dieci anni fa esistevano individui con una laurea breve in un qualche flavour di chimica (ambientale, degli alimenti, climatica e andate avanti a piacere). Costoro non solo di tutto ciò non avevano la minima idea, ma avevano anche serie difficoltà con il diagramma di stato dell'acqua. Il frutto delle riforme, del 3x2 e delle magnifiche sorti e progressive (non parlo per sentito dire).

Una funzione d'onda esprime una densità di probabilità, quindi è competamente incompatibile con le 'immagini dell'atomo raffigurato come sorta di microscopico sistema solare che purtroppo si continuano a trovare in giro, pure nei testi di scienze delle scuole superiori (assieme ad altre boiate, tipo la temperatura di ebollizione dell'acqua come costante e robaccia del genere). Quelle rappresentazioni grafiche con effetti di nuvola sono già più aderenti ai nostri modelli di struttura atomica e molecolare: elettroni delocalizzati in regioni di spazio (delocalizzazione figlia del principio di indeterminazione di Heisenberg, visto che agli orbitali corrisponde un numero quantico principale, n, che definisce l'energia degli elettroni che li occupano - nota l'energia, non nota la posizione). Quando un'orbitale sp3 dell'ossigeno e l'orbitale 1s dell'idrogeno si sovrappongono abbiamo due elettroni, uno dell'ossigeno e uno dell'idrogeno, condivisi tra i due atomi, un legame covalente.
Come sappiamo che esiste il legame? Al di là di chi agli inizi della chimica scisse l'acqua in una cella elettrolitica, in generale ci sono decenni di spettroscopie. I legami (anche quelli dell'acqua) vibrano, con moti diversi (stretching, rocking, scissoring, etc), portando a una varietà di stati vibrazionali ad energia quantizzata e la differenza di energia tra l'uno e l'altro corrisponde a quella di un fotone infrarosso. E quindi ci sono anni e anni di studi spettroscopici che hanno determinato la lunghezza e la geometria dei legami.
Da tutto ciò sono venute fuori varie cose, tra cui il fatto che il legame O-H è polarizzato, ovvero i due elettroni del legame hanno densità di probabilità più alta vicino al nucleo dell'ossigeno che vicino al nucleo dell'idrogeno. Cosa da cui derivano varie proprietà dell'acqua: il suo essere solvente polare protico; il fatto che l'idrogeno leggermente elettronpovero sia attratto dal lone pair dell'ossigeno elettronricco di un'altra molecola d'acqua, formando un legame ad idrogeno; il fatto che sia soggetta ad un equilibrio di dissociazione in OH- e H+, e il negativo del logaritmo decimale della concentrazione di H+ è il famoso pH.

Dopodiché andate su youtube, cercate "biologia acqua" e rendetevi conto del livello e della "scienza", in cui il miglior modello diventa "verità". E traetene le doverose conclusioni.

No, non è vero che non mi piacciono i biologi. Nel mio ramo non c'è nessuno come quello che sa mettere a punto un saggio biologico affidabile, o determinare il Method Of Action di un composto che ha dimostrato attività in saggi fenotipici. Semplicemente quelli che "divulgano" o "comunicano scienza" non fanno questo e non sarebbero capaci di farlo. Come dire, non tutti i biologi sono la stessa cosa, come accade per tante altre categorie. E non tutti hanno un'idea di cosa voglia dire esercitare una specifica disciplina scientifica. Meno la sanno esercitare più parlano di scienza.

PS: Chissà perché se l'acqua ha i due idrogeni e i due doppietti ai vertici di un tetraedro (vedere immagine) invece l'anidride carbonica è lineare... sarà mica spiegabile da questa storia di orbitali ibridati nella configurazione di minima energia?

PPS: Mi ricordo ai tempi dei tempi lo sfogo di un professore che dopo aver condotto un corso per qualche anno a Biologia era finalmente approdato a Chimica. Ne era felice, perché diceva, con i metri del tempo, che la maggior parte degli studenti a biologia non aveva una mentalità scientifica, e questo per lui era molto frustrante. Non crediate che nei decenni le cose siano migliorate, secondo quei metri obsoleti, ovviamente. E poi c'è la chiosa di un vecchio amico: "Purtroppo «Sai sono un comunicatore / comunicatrice della scienza ma la matematica proprio non mi piace» ....". Con buona pace di Galileo e dell'universo libro scritto in caratteri matematici, ma questi sono futili dettagli tecnici.