Le trasformazioni fisiche ovvero vapore di ferro e aria solida di Giuseppe Valitutti Le trasformazioni fisiche ovvero vapore di ferro e aria solida...2 La fusione e la solidificazione...2 L ebollizione e la condensazione...4 La sublimazione e il brinamento...6 Mappa concettuale...7 1
Le trasformazioni fisiche ovvero vapore di ferro e aria solida Gli insegnanti di Scienze della Scuola Secondaria di primo grado, al termine del corso di formazione, dovrebbero dimostrare di possedere una solida e profonda conoscenza dei materiali e delle loro proprietà, durante e dopo le trasformazioni fisiche e chimiche. Inoltre, i partecipanti dovrebbero essere in grado di applicare quanto appreso a problemi reali, riguardanti la conservazione ambientale e la qualità dell aria e dell acqua. Altra competenza da costruire è quella di correlare le trasformazioni fisiche e chimiche dei materiali alla natura delle particelle costituenti. Essi dovrebbero pure valutare e utilizzare i dati raccolti per spiegare le trasformazioni fisiche e chimiche. Infine, la competenza scientifica si costruisce mediante processi come quello di porre domande, di investigare e di interpretare le evidenze raccolte. Tutti i processi elencati dovrebbero trovare pratica applicazione in classe. Alcuni cambiamenti della materia sono semplici mutamenti dello stato fisico; altri consistono in variazioni delle dimensioni, dovute a espansione o a contrazione per effetto della temperatura e della pressione esterna. Tutte queste trasformazioni, che non alterano la composizione chimica di una sostanza, si chiamano trasformazioni fisiche o fenomeni fisici. Le trasformazioni fisiche provocano un cambiamento fisico reversibile della materia; nelle trasformazioni fisiche non si formano nuove sostanze. I passaggi di stato dei materiali sono le trasformazioni fisiche più studiate dagli allievi della scuola secondaria inferiore. La fusione e la solidificazione Chi non ha mai visto un cubetto di ghiaccio passare da solido a liquido? La denominazione corretta del passaggio dallo stato solido allo stato liquido del ghiaccio, di un metallo come l oro, di una qualsiasi altra sostanza pura oppure di un miscuglio, come la cioccolata, il burro e la cera, si chiama fusione. La fusione di un materiale solido è dovuta all assorbimento di calore da una sorgente di energia termica. Durante la fusione, a pressione costante assegnata, la temperatura di una sostanza pura rimane costante, finché coesistono le due fasi: solida e liquida. Se si ripete l esperimento con un altra pressione, il fenomeno si ripete, ma ad una diversa temperatura d equilibrio. Infatti, le sostanze pure hanno una temperatura di fusione netta e precisa, alla pressione di 1 atmosfera, che si può leggere in apposite tabelle. I 2
miscugli, diversamente dalle sostanze pure, non mantengono costante la temperatura durante la fusione e quindi fondono in un intervallo di temperatura più o meno largo, come accade per il burro, il cioccolato, la margarina e la cera. Un metodo eccellente, per verificare se un campione solido sia costituito da una sostanza pura o no, consiste nel determinare la sua temperatura di fusione, denominata anche punto di fusione della sostanza. Se il punto di fusione, determinato sperimentalmente, coincide con quello che si legge sulle tabelle per una certa sostanza, vuol dire che il campione esaminato è puro ed è proprio quella la sostanza esaminata. Riscaldando un campione di una sostanza, la fusione del solido inizia in prossimità del suo punto di fusione. Durante la fusione, a pressione costante assegnata, coesistono sia il solido che il liquido, in condizione di equilibrio. Se la sostanza solida è pura, iniziata la fusione, il processo prosegue mantenendo la temperatura T f costante, sino a scomparsa di tutto il solido. Da questo punto in poi la temperatura riprende a salire regolarmente col riscaldamento. Il gradino del grafico è più o meno esteso, a seconda della massa del campione solido. Se fondiamo 50 g di ghiaccio, la sosta termica, cioè il gradino, sarà la metà di quello ottenuto per fondere 100 g di ghiaccio con la stessa sorgente di calore? Perché la temperatura di fusione di una sostanza pura solida rimane costante, pur continuando a fornire calore? Alla temperatura di fusione del solido puro, il calore fornito fa aumentare al distanza media tra le molecole. Il calore fornito serve quindi a vincere le forze di coesione della sostanza e le molecole si distanziano. Poiché le molecole di una sostanza pura sono uguali e sono legate da forze di coesione uniformi, la fusione avviene a una temperatura fissa e precisa. Il calore fornito durante la fusione di una sostanza solida pura è chiamato calore di fusione λ f. Spesso viene erroneamente denominato calore latente di fusione. L aggettivo latente significa << che non si vede >> (dal latino latere, restare nascosto), perché l assorbimento e/o la cessione di calore non determina un aumento o un abbassamento di temperatura. Siccome, tuttavia, i corpi non contengono calore, l aggettivo latente è assai ambiguo e può far considerare corretta la vecchia e superata teoria del calorico, inventata intorno al 1760 da Black. Il calore di fusione è una proprietà intensiva della materia. Nel caso dell acqua, esso corrisponde a 334 J/g; ciò significa che per fondere 1 g di ghiaccio si devono fornire 334 J (o 80 cal) sotto forma di calore (per esempio, con una fiamma). La solidificazione è il passaggio di stato inverso della fusione. Le modalità della solidificazione sono simmetriche a quelle del processo di fusione. La temperatura di solidificazione di una sostanza pura liquida è identica alla temperatura di fusione della stessa sostanza. Anche il calore di solidificazione è uguale in valore assoluto al calore di fusione λ f. L unica differenza fra i due opposti passaggi di stato è questa: durante la fusione il sistema assorbe calore dalla sorgente mentre durante la solidificazione il sistema cede calore all ambiente. Essendo il calore una grandezza scalare algebrica, si ha un cambiamento di segno nel numero che la grandezza Q assume nei due casi. Il liquido puro, cedendo calore, inizia la solidificazione alla temperatura di fusione T f. A questa temperatura, che non si abbassa pur continuando a raffreddare, coesistono sia il liquido che il solido. Terminata la solidificazione, il raffreddamento del sistema si traduce in un abbassamento della temperatura. Il fatto assai importante è la 3
dipendenza funzionale della temperatura di equilibrio dalla pressione. Il comportamento anomalo dell acqua è cruciale per la vita. L ebollizione e la condensazione Avete mai visto una pentola d acqua all ebollizione? Prima di arrivare a bollire il liquido evapora. L evaporazione è diversa dall ebollizione di un liquido. L evaporazione è un fenomeno che interessa la superficie del liquido ed avviene a qualsiasi temperatura e pressione esterna. I panni stesi al sole si asciugano anche in inverno? Perché? L acqua evapora nell intervallo di temperatura compreso fra 0 C e 100 C. In un recipiente aperto l acqua, o qualsiasi altro liquido, evapora, sino a completa scomparsa del liquido. In un recipiente chiuso, invece, si raggiunge l equilibrio fra le molecole del liquido, che passano allo stato di vapore e le molecole di vapore che ritornano allo stato liquido, come mostra la seguente figura. Maggiore è la temperatura, maggiore sarà il numero di molecole che passano allo stato di vapore. L ebollizione, all'opposto, è la trasformazione disordinata di un liquido in vapore, che avviene al punto di ebollizione del liquido, con la pressione esterna 4
generalmente di 1 atmosfera. In questo caso, le bolle di vapore si formano in fondo e vincono la pressione esercitata dalla pressione esterna e dallo spessore del liquido. Le bolle, che contengono una forma invisibile d acqua, salgono in superficie e si allontanano dalla massa del liquido. Riscaldando l acqua distillata all ebollizione e alla pressione di 1 atmosfera, la temperatura rimane costante per tutto il tempo del riscaldamento e sino a scomparsa dell ultima goccia d acqua. L energia termica, che sembra sparire al punto di ebollizione, è chiamata calore di vaporizzazione. La condensazione è il passaggio di stato inverso dell ebollizione. La temperatura di condensazione del vapore di una sostanza pura è identica alla temperatura di ebollizione della stessa sostanza e alla stessa pressione esterna. Anche il calore di condensazione è identico al calore di vaporizzazione λ v, che eviteremo di chiamare latente per le ragioni esposte sopra. L unica differenza fra i due opposti passaggi di stato è questa: durante l ebollizione il sistema assorbe calore dalla sorgente mentre durante la condensazione il sistema cede calore all ambiente. Il calore di vaporizzazione e la relativa sosta termica sul grafico sottostante sono molto maggiori di quelli di fusione; nel caso dell acqua, il valore è circa sette volte maggiore (2260 J/g oppure 540 cal/g) Grafico 1. Grafico 1 Lettura del grafico Per scaldare 1g di acqua di 1 0 C (nell intervallo di temperatura 0 C 100 C) ci vuole ~ 1cal. Per riscaldare 1g di ghiaccio di un solo grado centigrado (nell intervallo di temperatura -50 C C) ci vogliono ~ 0,5cal; lo stesso calore di ~ 0,5cal serve per innalzare di un grado centigrado la temperatura di 1g di vapor d acqua (nell intervallo di temperatura 100 C 200 C), a pressione costante. Essendo il flusso di calore costante, ci vuole per l acqua un tempo doppio, rispetto al ghiaccio e al vapor d acqua. Ergo la pendenza del secondo tratto (quello dell acqua) deve essere la metà di quelle del primo e terzo tratto. Inoltre, il calore di evaporazione a 100 0 C è ~ 6,7 volte quello di fusione (540 cal/g e 80 cal/g). Infine, la durata del processo di ebollizione a 100 C è di ~ 5,4 volte superiore al processo di riscaldamento (540 cal/g e 100 cal/g) dell acqua da 0 C a 100 C. Ciò significa che per vaporizzare una certa quantità di acqua occorre sette volte più energia termica che per fondere la stessa quantità di ghiaccio. Questa differenza dipende dal fatto che è più difficile vincere le forze di coesione di un liquido e distanziare le molecole del vapore, piuttosto che ridurre le forze di coesione all interno di un solido. In effetti, il volume del vapore è almeno mille volte più grande del 5
volume del liquido, mentre nel passaggio solido-liquido, l aumento di volume è molto più contenuto. Rimangono ancora alcune domande alle quali i docenti devono rispondere. Come si può ottenere il vapore di ferro? A quale temperatura il ferro bolle? E l aria può diventare solida? Per rispondere a questa ultima domanda in maniera approssimata, si leggano i punti di fusione dei due principali gas componenti dell aria sulla Tavola Periodica. Come spieghereste tali trasformazioni fisiche ai vostri allievi? La sublimazione e il brinamento La sublimazione e il brinamento, infine, sono passaggi di stato che avvengono tra solidi e gas. La sublimazione è il passaggio delle molecole di un solido allo stato aeriforme. Questo fenomeno è particolarmente evidente per i solidi le cui molecole sono debolmente legate le une alle altre, e spiega l odore di certi materiali, come la naftalina e la canfora, o il colore viola che circonda i frammenti dello iodio solido. Anche il ghiaccio può sublimare. Il fenomeno, quando avviene sotto vuoto, è denominato liofilizzazione. Lo si utilizza per eliminare l acqua dalle soluzioni solidificate di medicinali, di caffè, tè, orzo, ecc... Durante tale processo le molecole del ghiaccio, sublimando, abbandonano le soluzioni oppure i tessuti congelati dei cibi senza danneggiarli. Il passaggio inverso, da vapore a solido, avviene di notte in campagna, quando la temperatura scende sotto lo zero centigrado. Lo spettacolo dei campi imbiancati dalla brina, che è dovuta alla trasformazione del vapore acqueo in minuscoli cristalli di ghiaccio, è ricorrente nel periodo invernale. Tale passaggio di stato si chiama brinamento. La mappa riassume le principali trasformazioni fisiche. 6
Mappa concettuale 7