LABORATORIO DI CHIMICA Dal ghiaccio al vapore: scoperta guidata delle proprietà dell acqua Ogni elemento chimico può esistere allo stato gassoso, allo stato liquido e in quello solido. Il passaggio da uno all'altro di questi stati è detto passaggio di stato. Prima di parlare dei passaggi di stato diamo alcune indicazioni sui principali stati di aggregazione Stato solido: le particelle costituenti la materia sono strettamente unite una all'altra in modo più o meno geometricamente ordinato. Dette particelle sono dotate di energia propria ed oscillano intorno al proprio punto di applicazione; da questo non possono, però, muoversi in quanto sono circondate da altre particelle Solido Le particelle sono disposte in modo ordinato 1
Stato liquido: le particelle hanno una energia cinetica maggiore di quella dello stato solido, possono muoversi disordinatamente ed urtarsi tra loro. Minori rispetto allo stato solido sono le forze coesive, tanto che nell'interfaccia un certo numero di particelle, può sottrarsi del tutto all'attrazione delle altre, passando allo stato gassoso. I liquidi, infatti, esistono sempre in presenza del loro gas. Stato gassoso: le particelle si muovono in maniera caotica e le forze di coesione sono del tutto trascurabili Aeriforme Le particelle sono disposte in modo disordinato e libere di muoversi Liquido Le particelle sono disposte in modo quasi ordinato 2
Lo stato di aggregazione di un corpo non è una sua caratteristica immutabile ma può cambiare variando le condizioni in cui esso si trova. Osservate lo schema riportato di seguito che riassume i nomi dei differenti passaggi di stato. Fusione Solidificazione Fusione I passaggi di stato Sublimazione Brinamento Riscaldando una sostanza allo stato solido possiamo provocarne la fusione (es:un cubetto di ghiaccio lasciato a temperatura ambiente) Evaporazione Ebollizione Liquefazione Condensazione 3
Evaporazione E continuando il riscaldamento del liquido ne otteniamo la vaporizzazione. Questa può avvenire o tramite l'evaporazione che interessa solo la superficie del liquido ed avviene a tutte le temperatura in cui la sostanza è allo stato liquido (es: l'acqua che evapora da una pozzanghera) Fenomeno di evaporazione Ebollizione o tramite l'ebollizione che coinvolge tutta la massa del liquido ed avviene ad una temperatura e pressione specifici (es:un pentolino di acqua che bolle sul fornello) Il punto di ebollizione aumenta al crescere della pressione del liquido; ad esempio, per l'acqua è uguale a 100 C alla pressione di 1 atm (101.325 pascal), ma sale fino a 374 C a 217 atm; per valori della pressione inferiori a 600 pascal, invece, è circa 0 C. I punti di ebollizione delle diverse sostanze variano moltissimo: il valore più basso è quello dell'elio, meno 268,9 C, mentre il più alto è quello del tungsteno, circa 5900 C 4
Condensazione Il passaggio di stato che si verifica invece raffreddando un gas è la condensazione (la formazione di nubi, la precipitazione della pioggia, la formazione di rugiada,) sono fenomeni di condensazione Fumi di un aereo condensati Solidificazione continuando a raffreddare il liquido ne otteniamo la solidificazione. Passaggio di una sostanza dallo stato liquido a quello solido; per una data sostanza, dipende dalle condizioni di pressione. In generale, una crescita della pressione determina un aumento della temperatura di solidificazione; 5
Sublimazione Alcune sostanze hanno la capacità di passare direttamente dallo stato solido allo stato gassoso tramite la sublimazione (es:.la naftalina usata come antitarme negli armadi e lo iodio mostrato nell'immagine a fianco e visto in laboratorio, che sublimando svolge vapori violetti) Brinamento e dallo stato gassoso direttamente allo stato solido tramite il brinamento 6
I passaggi di stato inversi avvengono alla stessa temperatura (per una sostanza pura), se la pressione rimane invariata In genere, i passaggi di stato per i miscugli avvengono a temperature che non sono ben definite e che non rimangono costanti. Invece di parlare di punto di solidificazione, per es., si parlerà di intervallo di solidificazione. Somministrando energia sottoforma di calore ad un corpo questa si trasforma in energia di movimento (energia cinetica) delle particelle che lo costituiscono; esiste quindi una diretta correlazione tra la temperatura (manifestazione macroscopica) di un corpo e il movimento (manifestazione microscopica) delle sue particelle. I passaggi di stato sono trasformazioni fisiche poiché la materia non cambia la sua composizione chimica ma solo il modo in cui ci appare (es: ghiaccio, acqua e vapore acqueo ci appaiono differenti ma sono tutti costituiti dallo stesso tipo di particelle). 7
Passiamo in rassegna alcune semplici esercitazioni di laboratorio in cui si verificano dei passaggi di stato. La prima di queste è la distillazione. L operazione consiste nel separare le varie componenti di una miscela liquida. Si attua riscaldando il liquido fino al punto di ebollizione, in modo che evaporino le componenti più volatili, quelle dotate di punto di ebollizione più basso, che vengono poi recuperate per condensazione. Apparecchiature per distillazione semplice Distillazione Lo scopo della distillazione può essere il recupero di un solvente da una soluzione in cui siano disciolte sostanze non volatili oppure, più comunemente, il frazionamento di una miscela complessa nelle componenti di diversa 8
Calore latente di Fusione-Solidificazione Punto di solidificazione Temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato liquido a quello solido, in determinate condizioni di pressione. Il punto di solidificazione di un liquido puro (non mescolato) coincide con il punto di fusione della stessa sostanza allo stato solido e quindi rappresenta la temperatura alla quale gli stati liquido e solido coesistono, in equilibrio: una sostanza al relativo punto di solidificazione, pertanto, si presenta come una miscela solido-liquido. Se si fornisce calore a una miscela di questo tipo, la temperatura rimane costante finché la sostanza non è completamente liquefatta, e tutto il calore viene assorbito come calore latente di fusione. Allo stesso modo, se si sottrae calore, la temperatura non varia finché non si completa il processo di solidificazione; in questo caso il trasferimento di calore avviene in corrispondenza alla transizione tra lo stato liquido e quello solido 9
Quanto detto può essere sintetizzato graficamente, nel seguente modo: Miscele frigorifere Una miscela frigorifera è una miscela eutettica utilizzata per mantenere valori di bassa temperatura senza la necessità di utilizzare macchine frigorifere. Viene ottenuta sfruttando soluzioni acquose di opportuni sali. Il principio sfruttato è il seguente: se a temperatura ambiente e a pressione atmosferica costante viene mescolato del ghiaccio tritato con un sale quale, ad esempio, cloruro di sodio si viene e creare un sistema formato da due fasi solide (il ghiaccio e il sale) ed una liquida (la soluzione acquosa di cloruro di sodio). 10
Poiché queste tre fasi possono contemporaneamente coesistere solamente al punto eutettico, che in questo caso vale - 21,3 C, nelle condizioni sopra citate non si è in presenza dell'equilibrio e ciò provoca la fusione del ghiaccio solido e la dissoluzione del cloruro di sodio. Questo processo richiede assorbimento di calore dall'ambiente esterno, con conseguente effetto refrigerante. Mescolando opportune quantità di ghiaccio e sale è possibile formare miscele frigorifere efficienti e con una buona durata nel tempo (arco di ore). 11