venerdì 24 marzo 2017

Perché non possiamo mettere il ghiaccio nel microonde

Ovvero, perché scongelare il cibo è difficile: il ghiaccio e il forno a microonde non sono mai andati d’accordo. Se mettessimo dei cubetti di ghiaccio nel forno, l’onda elettromagnetica rimbalzerebbe sulle facce dei cubetti stessi e sulle pareti del forno fino a tornare al klystron* che l’ha emessa, con il rischio di danneggiarlo. Per questo stesso motivo non si deve accendere il forno vuoto: il forno è progettato in maniera che l’onda elettromagnetica sia assorbita da qualcosa al suo interno.
Per provare in prima persona il disprezzo che il ghiaccio prova per le microonde, possiamo mettere dei cubetti in una tazza e dell’acqua in un altro contenitore e metterli entrambi nel microonde. Dopo un minuto l’acqua sarà bollente o quasi mentre i cubetti saranno ancora lì, imperturbati, o quasi.
Le microonde scaldano l’acqua agendo sul dipolo elettrico che ha ciascuna molecola e non sui legami molecolari come spesso si legge. Questi ultimi sono sensibili alle frequenze del vicino infrarosso, ossia a lunghezze d’onda (L) tra 0.75 μm e 1 μm, mentre il forno a microonde ha L=12 cm (tra l’altro i fori sulla porta del forno sono posti a una distanza inferiore della lunghezza d’onda in maniera che questa sia riflessa dal metallo e non possa uscire).
Schema di una molecola d’acqua. Gli elettroni sono più vicini all’atomo di ossigeno, creando un dipolo elettrico, con un eccesso di carica positiva (in rosso, indica una carenza di elettroni) dal lato degli atomi di idrogeno e un eccesso di carica negativa (in blu, eccesso di elettroni) vicino all’atomo di ossigeno. Il dipolo elettrico va dalla carica negativa a quella positiva ed è indicato dalla freccia blu.
Un dipolo elettrico può essere pensato come una calamita a barra, in cui i poli sono cariche elettriche stazionarie (mentre il dipolo magnetico è generato da cariche elettriche in movimento). La molecola d’acqua si forma con la condivisione degli elettroni dei due atomi di idrogeno con l’ossigeno. Questo –  più prepotente – si  appropria degli elettroni per più tempo di quanto sarebbe educato (l’ossigeno si giustifica dicendo che è maggiormente elettronegativo per cui gli orbitali atomici della molecola hanno una distribuzione di probabilità asimmetrica e centrata su di lui, ma resta il fatto che l’ossigeno è un cafone). Ciascuna molecola d’acqua è quindi debolmente positiva in prossimità dei due atomi di idrogeno e debolmente negativa vicino a quello di ossigeno. Risulta perciò dotata di un piccolo momento di dipolo. Quando viene colpito dalle microonde, il dipolo elettrico delle molecole d’acqua viene agitato in semi-oscillazioni orarie-antiorarie, con 2.45 miliardi di microscopici ‘togli la cera –metti la cera’ al secondo. Le molecole d’acqua si scaldano per attrito con quelle vicine, trasformando l’energia elettromagnetica in calorica con estrema rapidità ed efficienza.
Abbassando la temperatura, le oscillazioni termiche delle molecole d’acqua si riducono e i dipoli elettrici tendono ad allinearsi regolarmente in una struttura cristallina tramite un legame intermolecolare (legame idrogeno) che  la rende molto stabile (infatti ci vogliono 330 Joule per fondere un grammo di acqua, o 80 calorie) e refrattaria alle microonde. Per scongelare qualcosa conviene quindi regolare il forno al minimo della potenza per agire gradualmente sui liquidi in esso contenuti e far sì che siano loro a sciogliere il ghiaccio.


* Un Magnetron è una piccola camera a vuoto in cui vengono accelerati elettroni tra due forti magneti permanenti: gli elettroni si impacchettano nel campo magnetico emettendo radiazione elettromagnetica a frequenza ben definita.
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