5. I cambiamenti di stato

Osserva lo schema in basso: se si riscalda un solido, l’agitazione delle sue molecole aumenta e i legami che le tengono unite si allentano. Le molecole non mantengono più le loro posizioni e cominciano a scorrere le une sulle altre: il solido diventa liquido, si ha la fusione. Continuando a fornire calore, le molecole si staccano completamente le une dalle altre e acquistano libertà di movimento: il liquido diventa aeriforme, si ha la vaporizzazione. Quando si raffredda un aeriforme, l’agitazione delle molecole diminuisce sino a che si possono di nuovo stabilire legami tra esse: l’aeriforme diventa liquido, si ha la liquefazione (o condensazione).

Continuando a sottrarre calore, le molecole rallentano sempre più i loro movimenti e si legano strettamente fra loro: il liquido diventa solido, si ha la solidificazione. Esistono poi due particolari passaggi di stato: dallo stato solido a quello aeriforme, senza passare dallo stato liquido, e viceversa. Nel primo caso si parla di sublimazione, nel secondo caso di sublimazione da gas o brinamento.

Come varia la temperatura durante la fusione del ghiaccio?

Le fasi dell’esperimento e il grafico illustrano il passaggio dallo stato solido a quello liquido dell’acqua.

In una provetta contenente acqua allo stato liquido è stato inserita la sonda del termometro. Poi la provetta è stata posta nel surgelatore per qualche ora e quando è stata estratta la temperatura rilevata era -5 °C ( 3 ). È stato avviato il cronometro. All’inizio la temperatura aumenta rapidamente: questo aumento è dovuto al calore fornito dall’ambiente in cui avviene l’esperimento, che è più caldo del ghiaccio ( 4 ). A 0 °C il ghiaccio fonde, ma, benché continui il riscaldamento da parte dell’ambiente, la temperatura resta costante fino a che il ghiaccio si trasforma in acqua. L’energia fornita non fa aumentare la temperatura, ma viene utilizzata per il cambiamento di stato, per indebolire cioè la forza di coesione tra le molecole. Questa energia è chiamata calore latente, cioè “nascosto”, perché i suoi effetti non sono evidenziati da un aumento di temperatura. Quando il ghiaccio non c’è più, si può constatare che la temperatura dell’acqua aumenta di nuovo ( 5 ). Registrando i dati della temperatura a ogni minuto si ottiene il grafico a fianco.

L’acqua fonde quindi a 0 °C, e alla stessa temperatura avviene il passaggio inverso, la solidificazione. Fusione e solidificazione avvengono per ogni sostanza a una temperatura specifica, detta punto di fusione o di solidificazione. Quasi tutti i metalli fondono a una temperatura molto alta, tranne il mercurio che a temperatura ambiente è liquido e solidifica solo a -39 °C. Anche le rocce fondono ad alte temperature: la lava che fuoriesce da un vulcano in eruzione è formata proprio da rocce fuse.

PUNTO DI FUSIONE O DI SOLIDIFICAZIONE DI ALCUNE SOSTANZE
Ferro	1530 °C
Acciaio	1350 °C
Vetro	1 100 °C
Rame	1080 °C
Oro	1070 °C
Piombo	327 °C
Acqua	0 °C
Mercurio	-39 °C
Alcol	-130 °C

L’acqua di una pentola messa sul fuoco passa dallo stato liquido a quello di vapore formando delle bolle che all’inizio sono di piccole dimensioni ma in breve tempo si ingrossano e creano un movimento rapido e tumultuoso in tutta la massa. Questo tipo di vaporizzazione è chiamato ebollizione.

Come varia la temperatura dell’acqua durante l’ebollizione?

Le fasi dell’esperimento e il grafico in basso illustrano i passaggi di stato dell’acqua.

La sonda del termometro è stata introdotta in una ampolla, contenente acqua, che è stata posta su un fornello ( 6 ). La temperatura cresce rapidamente e già prima di 100 °C nell’acqua cominciano a formarsi delle bollicine ( 7 ). A 100 °C l’acqua bolle, ma, benché continui il riscaldamento, la temperatura resta costante fino a che tutta l’acqua si trasforma in vapore: l’energia fornita non fa aumentare la temperatura, ma viene utilizzata per il cambiamento di stato, per rompere i legami tra le molecole. Se si scalda ancora il vapore ottenuto, la temperatura aumenta oltre i 100 °C ( 8 ). Registrando i dati della temperatura a ogni minuto si ottiene il grafico a sinistra.

Se il passaggio da liquido a vapore arriva lentamente, interessa solo la superficie e non dipende da una precisa temperatura si ha l’evaporazione. Hai di sicuro osservato l’evaporazione dell’acqua ogni volta che, dopo aver lavato il pavimento, si aspetta che asciughi. I liquidi evaporano in tempi diversi, alcuni velocemente come l’alcol, l’acetone, l’etere; altri evaporano lentamente, come gli oli e il mercurio.

L’evaporazione non dipende solo dal tipo di sostanza ma anche da alcune condizioni.

Da quali fattori dipende l’evaporazione?

I disegni illustrano tre fattori che influenzano l’evaporazione. Due bacinelle uguali contengono la stessa quantità di liquido, il fattore che cambia è la temperatura ( 9 ). Maggiore è la temperatura, maggiore è l’evaporazione. Le molecole del liquido ricevono più calore, aumenta perciò la loro velocità di movimento e si “staccano” facilmente dal liquido. Due bacinelle di forma diversa contengono la stessa quantità di acqua e sono nelle stesse condizioni ambientali. La variabile è l’estensione della superficie del liquido esposta all’aria (10). Maggiore è la superficie esposta, maggiore è l’evaporazione. È facile capire che ciò accade perché un maggior numero di molecole possono “staccarsi” dal liquido per passare nell’aria. Lo stesso lenzuolo se è messo ad asciugare quando l’aria è mossa dal vento, asciuga più facilmente (11). Maggiore è la ventilazione, maggiore è l’evaporazione. In una giornata umida e senza vento l’evaporazione avviene molto lentamente perché l’aria è carica di vapore acqueo e il numero di molecole che passano dall’acqua all’aria, evaporando, è uguale al numero di molecole che passano dall’aria all’acqua tornando allo stato liquido. Tale situazione è detta di vapore saturo. Hai già sicuramente sperimentato questo fenomeno in estate, quando, per cercare un po’ di refrigerio, si usa l’aria condizionata che è secca, povera di vapore acqueo, oppure ci si mette in una corrente d’aria o la si genera con un ventilatore o un ventaglio.

Il passaggio di stato da aeriforme a liquido prende nomi diversi a seconda che l’aeriforme sia un vapore o un gas. Il fenomeno si chiama condensazione se la sostanza è un vapore: il vapore acqueo condensa a formare la nebbia quando la temperatura scende; se provi ad alitare su un vetro o uno specchio freddo vedrai il vapore acqueo contenuto nell’aria che fuoriesce dalla tua bocca condensare in piccole gocce e appannare il vetro o lo specchio. Si usa il termine liquefazione se la sostanza è un gas. Anche l’aria può liquefare: l’aria è una miscela di gas, costituita principalmente da azoto e ossigeno che liquefanno rispettivamente a -196 °C e -183 °C, temperature davvero molto basse.

I gas liquefatti si ottengono solo diminuendo la temperatura?

All’interno di una bomboletta spray, il gas è allo stato liquido non perché è stato raffreddato, ma perché è stato compresso, cioè sottoposto ad alte pressioni: la pressione produce un avvicinamento delle molecole del gas e fa in modo che le forze di attrazione siano sufficienti per tenerle unite nello stato liquido. La pressione dunque è, insieme alla temperatura, uno dei fattori che condizionano i passaggi di stato.

PUNTO DI EBOLLIZIONE O LIQUEFAZIONE DI ALCUNE SOSTANZE
Ferro	2730 °C
Rame	2310 °C
Piombo	1620 °C
Mercurio	1357 °C
Olio di lino	316 °C
Acqua	100 °C
Alcol	78 °C
Acetone	56 °C
Etere	34 °C
Ammoniaca	-33 °C
Azoto	-196 °C
Ossigeno	-183 °C

Il corpo umano, quando la temperatura ambientale sale, oppure quando aumenta la produzione interna di calore (per esempio in seguito a uno sforzo), elimina all’esterno del sudore. Le gocce di sudore, evaporando, sottraggono calore e ristabiliscono così la normale temperatura corporea. Per tale motivo senti freddo quando sei sudato e ti trovi in un ambiente in cui c’è una corrente d’aria che aumenta il processo di evaporazione.

Quali sostanze sublimano?

La naftalina e la canfora un tempo erano molto usate per eliminare le tarme dai cassetti e dagli armadi; si inserivano tra maglioni e cappotti di lana, sotto forma di palline o cubetti che in poco tempo sembravano consumarsi sino a scomparire, lasciando però la traccia del loro odore inconfondibile.

Nei cassetti non si trovava neppure una goccia di liquido, chiaro segno che avveniva la sublimazione. L’anidride carbonica solida, conosciuta come ghiaccio secco, non fonde ma sublima. Il ghiaccio secco è utilizzato per molti scopi; in campo medico e alimentare per mantenere bassa la temperatura, nello spettacolo per produrre un vapore molto scenografico. Il passaggio di stato da gas a solido, senza passare attraverso lo stato liquido, è la sublimazione da gas o brinamento, poiché questo fenomeno è tipico della brina che, a causa delle basse temperature, si forma a partire dal vapore acqueo su terreno e piante. L’anidride carbonica sotto forma gassosa non condensa mai, non diventa cioè liquida, in normali condizioni di pressione dell’aria, ma diventa direttamente solida a -78,5 C°.

L’azoto è un gas che costituisce il 78% dell’aria che circonda la Terra, incolore, insapore, inodore. Può passare allo stato liquido se fortemente compresso e può essere conservato in particolari contenitori che lo mantengono isolato dall’ambiente esterno a una temperatura di -196 °C. Se l’azoto liquido viene liberato dal contenitore, torna allo stato di gas assorbendo grandi quantità di calore e facendo così abbassare velocemente la temperatura; per tale motivo è utilizzato come potente refrigerante. L’azoto liquido viene adoperato nell’industria alimentare per surgelare rapidamente i cibi, nelle cucine dei grandi ristoranti per trasformare verdure e carni in modo alternativo alla tradizionale cottura e per la produzione del gelato, e nella ricerca scientifica, se è necessario operare a basse temperature. Un altro campo di utilizzo dell’azoto liquido è la chirurgia dermatologica: attraverso la crioterapia, cioè la cura attraverso il freddo, è possibile trattare alcune malattie della pelle come ad esempio le verruche.