Perché acqua e olio non si uniscono?

L’invincibile repulsione: perché acqua e olio restano separati?

L’immagine di acqua e olio che si separano in due distinti strati è familiare a chiunque abbia mai provato a preparare un’emulsione casalinga. Ma cosa rende questa apparente avversione così inesorabile? La risposta risiede nel mondo microscopico, nel regno delle interazioni intermolecolari, forze sottili ma potenti che governano il comportamento delle molecole e, di conseguenza, delle sostanze macroscopiche.

L’acqua, la culla della vita, è una molecola polare. La sua struttura a forma di V, con un atomo di ossigeno più elettronegativo legato a due atomi di idrogeno, crea una distribuzione ineguale di carica: l’ossigeno porta una parziale carica negativa (δ-), mentre gli idrogeni portano una parziale carica positiva (δ+). Questa polarità è alla base della formazione di legami a idrogeno, interazioni relativamente forti che legano le molecole d’acqua tra loro in una complessa rete tridimensionale. Questa rete è responsabile di molte delle proprietà uniche dell’acqua, come l’alto punto di ebollizione e la sua elevata tensione superficiale.

L’olio, al contrario, è tipicamente costituito da molecole apolari, come gli idrocarburi. Queste molecole presentano una distribuzione uniforme di carica, con una scarsa o nulla polarità. Le interazioni prevalenti tra le molecole di olio sono le forze di van der Waals, interazioni deboli e transitorie dovute a fluttuazioni temporanee nella distribuzione elettronica. Sebbene deboli singolarmente, la loro somma, in un gran numero di molecole, contribuisce alla coesione dell’olio.

Il segreto della immiscibilità risiede nella comparazione di queste forze. La forza dei legami a idrogeno tra le molecole d’acqua e delle forze di van der Waals tra le molecole di olio è significativamente maggiore rispetto a qualunque interazione possa avvenire tra una molecola d’acqua e una di olio. Forzare una mescolanza significherebbe rompere queste robuste interazioni intra-molecolari, per crearne di nuove, molto più deboli, tra acqua e olio. Questo processo richiede un apporto significativo di energia, rendendo la miscelazione spontanea un evento altamente sfavorito termodinamicamente. In altre parole, il sistema preferisce mantenere separate le due sostanze, minimizzando l’energia totale del sistema.

È proprio per questo motivo che l’acqua e l’olio si separano spontaneamente, formando due fasi distinte. Per superare questa repulsione naturale e creare una miscela stabile (un’emulsione), è necessario impiegare tensioattivi, sostanze che possiedono sia una parte polare che una parte apolare, riuscendo così a “mediare” l’interazione tra le due fasi, riducendo l’energia superficiale e permettendo una dispersione più o meno stabile dell’olio nell’acqua (o viceversa). Questo dimostra ancora una volta l’importanza delle forze intermolecolari nel determinare le proprietà macroscopiche della materia.