Obiettivi di apprendimento
- Definire fusione, congelamento e sublimazione.
A seconda delle condizioni circostanti, la materia normale di solito esiste in una delle tre fasi: solida, liquida o gassosa.
Un cambiamento di fase è un processo fisico in cui una sostanza passa da una fase all’altra. Di solito il cambiamento avviene quando si aggiunge o si toglie calore ad una particolare temperatura, conosciuta come il punto di fusione o il punto di ebollizione della sostanza. Il punto di fusione è la temperatura alla quale la sostanza passa da un solido a un liquido (o da un liquido a un solido). Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza passa da un liquido a un gas (o da un gas a un liquido). La natura del cambiamento di fase dipende dalla direzione del trasferimento di calore. Il calore che entra in una sostanza la cambia da un solido a un liquido, o da un liquido a un gas. La rimozione di calore da una sostanza cambia un gas in un liquido, o un liquido in un solido.
Dovrebbero essere sottolineati due punti chiave. In primo luogo, al punto di fusione o di ebollizione di una sostanza, due fasi possono esistere contemporaneamente. Prendiamo l’acqua (H2O) come esempio. Sulla scala Celsius, l’H2O ha un punto di fusione di 0°C e un punto di ebollizione di 100°C. A 0°C, sia la fase solida che quella liquida di H2O possono coesistere. Tuttavia, se si aggiunge calore, una parte dell’H2O solida si scioglie e si trasforma in H2O liquida. Se il calore viene rimosso, accade il contrario: parte dell’H2O liquida si trasforma in H2O solida. Un processo simile può avvenire a 100°C: aggiungendo calore aumenta la quantità di H2O gassosa, mentre togliendo calore aumenta la quantità di H2O liquida (Figura \PageIndex{1}}).
In secondo luogo, la temperatura di una sostanza non cambia quando la sostanza passa da una fase all’altra. In altre parole, i cambiamenti di fase sono isotermici (isotermico significa “temperatura costante”). Di nuovo, consideriamo H2O come esempio. L’acqua solida (ghiaccio) può esistere a 0°C. Se si aggiunge calore al ghiaccio a 0°C, una parte del solido cambia fase per formare un liquido, anch’esso a 0°C. Ricorda, le fasi solida e liquida di H2O possono coesistere a 0°C. Solo dopo che tutto il solido si è sciolto in liquido, l’aggiunta di calore cambia la temperatura della sostanza.
Per ogni cambiamento di fase di una sostanza, c’è una quantità caratteristica di calore necessario per eseguire il cambiamento di fase per grammo (o per mole) di materiale. Il calore di fusione (ΔHfus) è la quantità di calore per grammo (o per mole) necessaria per un cambiamento di fase che avviene al punto di fusione. Il calore di vaporizzazione (ΔHvap) è la quantità di calore per grammo (o per mole) richiesta per un cambiamento di fase che avviene nel punto di ebollizione. Se conosci il numero totale di grammi o moli di materiale, puoi usare il ΔHfus o il ΔHvap per determinare il calore totale trasferito per la fusione o la solidificazione usando queste espressioni:
dove \(n\) è il numero di moli e \(ΔH_fus}\ è espresso in energia/mole o
dove \(m) è la massa in grammi e \(ΔH_fus}\ è espresso in energia/grammo.
Per l’ebollizione o la condensazione, usa queste espressioni:
dove \(n) è il numero di moli) e \(ΔH_{vap}}) è espresso in energia/mole o
\
dove \(m) è la massa in grammi e \(ΔH_vap}) è espresso in energia/grammo.
Ricorda che un cambiamento di fase dipende dalla direzione del trasferimento di calore. Se il calore si trasferisce all’interno, i solidi diventano liquidi, e i liquidi diventano solidi ai punti di fusione e di ebollizione, rispettivamente. Se il calore si trasferisce all’esterno, i liquidi si solidificano e i gas si condensano in liquidi.
Esempio \(\PageIndex{1})
Quanto calore è necessario per sciogliere 55,8 g di ghiaccio (H2O solido) a 0°C? Il calore di fusione dell’H2O è 79.9 cal/g.
Soluzione
Possiamo usare la relazione tra calore e calore di fusione (Eq. \(\PageIndex{1})b) per determinare quanti joule di calore sono necessari per sciogliere questo ghiaccio:
& = (55.8: \cancel{g})\sinistra(\dfrac{79.9\: cal}{cancel{g}}}destra)=4,460\: cal} \end{align*}]
Esercitazione \(\PageIndex{1})
Quanto calore è necessario per vaporizzare 685 g di H2O a 100°C? Il calore di vaporizzazione dell’H2O è 540 cal/g.
La tabella \(\PageIndex{1}}) elenca i calori di fusione e vaporizzazione di alcune sostanze comuni. Nota le unità di queste quantità; quando usi questi valori nella risoluzione dei problemi, assicurati che le altre variabili nel tuo calcolo siano espresse in unità coerenti con le unità dei calori specifici, o dei calori di fusione e vaporizzazione.
| Sostanza | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| alluminio (Al) | 94.0 | 2,602 |
| oro (Au) | 15,3 | 409 |
| ferro (Fe) | 63.2 | 1.504 |
| acqua (H2O) | 79,9 | 540 |
| cloruro di sodio (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanolo (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 |
| benzene (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Guardando più da vicino: Sublimazione
C’è anche un cambiamento di fase in cui un solido passa direttamente a un gas:
Questo cambiamento di fase è chiamato sublimazione. Ogni sostanza ha un calore caratteristico di sublimazione associato a questo processo. Per esempio, il calore di sublimazione (ΔHsub) di H2O è 620 cal/g.
La sublimazione si incontra in diversi modi. Forse hai già familiarità con il ghiaccio secco, che è semplicemente anidride carbonica solida (CO2). A -78,5°C (-109°F), l’anidride carbonica solida sublima, passando direttamente dalla fase solida alla fase gassosa:
L’anidride carbonica solida è chiamata ghiaccio secco perché non passa attraverso la fase liquida. Invece, passa direttamente alla fase gassosa. (Il ghiaccio secco ha molti usi pratici, inclusa la conservazione a lungo termine di campioni medici.
Anche a temperature inferiori a 0°C, l’H2O solido sublimerà lentamente. Per esempio, un sottile strato di neve o brina sul terreno può lentamente scomparire man mano che l’H2O solida sublima, anche se la temperatura esterna può essere inferiore al punto di congelamento dell’acqua. Allo stesso modo, i cubetti di ghiaccio in un congelatore possono diventare più piccoli nel tempo. Anche se congelata, l’acqua solida sublima lentamente, ridepositandosi sugli elementi di raffreddamento più freddi del congelatore, il che richiede uno sbrinamento periodico (i congelatori senza gelo minimizzano questo rideposito). Abbassare la temperatura in un congelatore ridurrà la necessità di sbrinare così spesso.
In circostanze simili, l’acqua sublimerà anche dagli alimenti congelati (ad esempio, carni o verdure), dando loro un aspetto sgradevole e chiazzato chiamato bruciatura da congelatore. Non è veramente una “bruciatura”, e il cibo non è necessariamente andato a male, anche se ha un aspetto poco appetitoso. L’ustione da congelamento può essere minimizzata abbassando la temperatura di un congelatore e avvolgendo strettamente gli alimenti in modo che l’acqua non abbia spazio per sublimare.
Punto di fusione
I solidi sono simili ai liquidi in quanto entrambi sono stati condensati, con particelle che sono molto più vicine di quelle di un gas. Tuttavia, mentre i liquidi sono fluidi, i solidi non lo sono. Le particelle della maggior parte dei solidi sono impacchettate strettamente insieme in una disposizione ordinata. Il movimento di singoli atomi, ioni o molecole in un solido è limitato al movimento vibrazionale intorno a un punto fisso. I solidi sono quasi completamente incomprimibili e sono i più densi dei tre stati della materia.
Quando un solido viene riscaldato, le sue particelle vibrano più rapidamente mentre il solido assorbe energia cinetica. Alla fine, l’organizzazione delle particelle all’interno della struttura solida comincia a rompersi e il solido comincia a fondere. Il punto di fusione è la temperatura alla quale un solido si trasforma in un liquido. Al punto di fusione, le vibrazioni dirompenti delle particelle del solido superano le forze attrattive che operano all’interno del solido. Come per i punti di ebollizione, il punto di fusione di un solido dipende dalla forza di queste forze attrattive. Il cloruro di sodio \(\sinistra( \ce{NaCl} \destra)\ è un composto ionico che consiste in una moltitudine di forti legami ionici. Il cloruro di sodio si scioglie a \ 801 \text{o} \text{C}). Il ghiaccio (solido \ce{H_2O}) è un composto molecolare composto da molecole tenute insieme da legami idrogeno. Anche se i legami a idrogeno sono la più forte delle forze intermolecolari, la forza dei legami a idrogeno è molto inferiore a quella dei legami ionici. Il punto di fusione del ghiaccio è \(0^\testo{o} \testo{C}).
Il punto di fusione di un solido è uguale al punto di congelamento del liquido. A questa temperatura, gli stati solido e liquido della sostanza sono in equilibrio. Per l’acqua, questo equilibrio si verifica a \(0^\testo{o} \testo{C}).
Tendiamo a pensare ai solidi come quei materiali che sono solidi a temperatura ambiente. Tuttavia, tutti i materiali hanno punti di fusione di qualche tipo. I gas diventano solidi a temperature estremamente basse, e anche i liquidi diventano solidi se la temperatura è abbastanza bassa. La tabella sottostante fornisce i punti di fusione di alcuni materiali comuni.
| Materiali | Punto di fusione (ºC) |
|---|---|
| Idrogeno | -259 |
| Ossigeno | -219 |
| Etere dietetico | -116 |
| Etanolo | -114 |
| Acqua | 0 |
| Argento puro | 961 |
| Oro puro | 1063 |
| Rame | 1538 |
Esercizio \(\PageIndex{2})
- Spiega cosa succede quando il calore entra o esce da una sostanza al suo punto di fusione o di ebollizione.
- Come si rapporta la quantità di calore richiesta per un cambiamento di fase alla massa della sostanza?
Risposta a
L’energia serve a cambiare la fase, non la temperatura.
La quantità di calore è una costante per grammo di sostanza.
Sommario
- C’è un cambiamento di energia associato a qualsiasi cambiamento di fase.
- La sublimazione è il cambiamento di stato da un solido a un gas, senza passare dallo stato liquido.
- La deposizione è il cambiamento di stato da un gas a un solido.
- Il biossido di carbonio è un esempio di un materiale che subisce facilmente la sublimazione.
- Il punto di fusione è la temperatura alla quale un solido si trasforma in un liquido.
- Le forze intermolecolari hanno una forte influenza sul punto di fusione.
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