Dal ghiaccio al vapore: scoperta guidata delle proprietà dell`acqua

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
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Dal ghiaccio al vapore: scoperta guidata
delle proprietà dell’acqua
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LABORATORIO DI CHIMICA

Le particelle sono
disposte in modo
ordinato
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Acqua
Le particelle sono
disposte in modo
quasi ordinato
Stato gassoso: le particelle si muovono in maniera
caotica e le forze di coesione sono del tutto
trascurabili
Aeriforme
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Liquido
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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.

Le particelle sono
disposte in modo
disordinato e libere di
muoversi
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Acqua
Sublimazione
Evaporazione
Ebollizione
Fusione
Solidificazione
Liquefazione
Condensazione
Brinamento
Fusione

Riscaldando una sostanza
allo stato solido possiamo
provocarne
la
fusione
(es:un cubetto di ghiaccio
lasciato a temperatura
ambiente)
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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.
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I passaggi di stato
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Acqua
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
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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)
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Evaporazione
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Acqua
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;
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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
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Condensazione
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Acqua
Brinamento
e dallo stato gassoso direttamente allo stato
solido tramite il brinamento
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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)
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Sublimazione

6
Acqua
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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).
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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.

7
Acqua

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
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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.
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Distillazione
Apparecchiature per
distillazione semplice
8
Acqua

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
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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
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Calore latente di Fusione-Solidificazione
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Acqua

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).
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Miscele frigorifere
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Quanto detto
può essere sintetizzato
graficamente, nel seguente modo:
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Acqua
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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).

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