3.3 - GLI STATI FISICI DELLA MATERIA In natura, i materiali si presentano in diversi stati fisici, detti anche stati di aggregazione; essi riflettono il grado di interazione fra le particelle costituenti. Gli stati di aggregazione della materia sono tre: solido, liquido e aeriforme. Oggi si considera anche un quarto stato della materia, il Nell’immagine un paesaggio della Val d’Aosta, sullo sfondo un ghiacciaio del gruppo del Monte Bianco. Si vede chiaramente l’acqua nei tre stati di aggregazione: solido, liquido e aeriforme. ... dov’è l’aeriforme? C’è ma non si vede! Foto di Giovanni Valsecchi plasma. Nella tabella sono riportati alcuni esempi, completala con altri: Solidi Zucchero Sale Vetro: Bottiglie, bicchiere Liquidi Acqua Latte Vino Aeriformi (gas e vapori) Aria Gas per uso domestico Vapore acqueo Metalli: pentole, posate, chiavi, tubi, Aranciata fili elettrici Anidride carbonica presente nello spumante, bibite gassate, nella pasta lievitata Legno: sedie, tavolo Gas degli accendini 16 Succo di frutta 3.3.1 - Fattori che influiscono sugli stati della materia Se ci guardiamo intorno e facciamo riferimento alla nostra esperienza quotidiana abbiamo a che fare con corpi che possono essere solidi, liquidi o gassosi: è un gas l’aria che respiriamo, sono liquide l’acqua e tutte le bevande che beviamo, sono solidi sostanze come lo zucchero, il sale e molti oggetti di cui ci serviamo. Vari fattori influiscono sullo stato fisico dei materiali. È abbastanza intuitivo che lo stato fisico dei materiali dipende, almeno in parte, dalla loro composizione chimica. Sulla superficie terrestre, ad esempio il ferro è solido, l’alcol è liquido, l’ossigeno aeriforme. Sappiamo anche che lo stato fisico dipende in parte dalla temperatura. Al livello del mare, lo stato fisico dell’acqua varia a seconda della temperatura: al di sotto di 0°C è solida, tra 0°C e 100°C è liquida o aeriforme, sopra a 100°C è solo aeriforme. Quello che è meno ovvio e meno conosciuto è che lo stato fisico dipende anche dalla pressione. A temperatura ambiente, il gas degli accendini e delle bombole (una miscela di propano e butano) è liquido quando è conservato in un recipiente sotto pressione, mentre è aeriforme alla pressione atmosferica. 3.3.2 - Materiali solidi Nei materiali allo stato solido, le particelle sono disposte in modo regolare, ordinato, sono legate saldamente le une alle altre e non hanno una grande libertà di movimento: possono soltanto vibrare mantenendo le loro reciproche posizioni. Gli spazi tra le particelle sono molto piccoli. ! Un corpo solido ha forma e volume propri: ciò significa che se lo metto in recipienti diversi mantiene la sua forma originaria e non si adatta a quella del recipiente che lo contiene. 3.3.3 - Materiali liquidi Nei materiali allo stato liquido, le particelle sono disposte in modo disordinato, sono legate tra loro in modo meno forte rispetto ai corpi solidi e quindi hanno una certa libertà di movimento; tale movimento è piuttosto caotico. Come per i solidi, gli spazi tra le particelle sono molto piccoli. Un materiale liquido ha volume proprio, ma la sua forma dipende dal recipiente che lo contiene: un litro ! d’acqua è sempre un litro sia che io lo versi in una vasca da bagno sia che lo metta in una bottiglia, ma la sua forma varia a seconda del contenitore. Lo stato solido e lo stato liquido si definiscono anche stati condensati della materia, poiché in entrambi i casi le particelle sono a contatto le une con le altre. Per questo motivo, i materiali solidi e liquidi sono praticamente incomprimibili. 17 3.3.4 - Materiali aeriformi Nei materiali allo stato aeriforme, le particelle sono completamente slegate e lontane tra di loro; esse sono in rapido movimento e si muovono in modo disordinato. Proprio perché le particelle possono muoversi in completa libertà, i materiali aeriformi non hanno un loro volume né una loro forma, ma occupano tutto il volume disponibile, assumendo la forma del recipiente. I materiali aeriformi sono, inoltre, comprimibili: se si esercita una pressione su di ! essi, il loro volume si riduce. Per verificarlo, possiamo riempire d’aria una siringa, tirando indietro lo stantuffo. Poi togliamo l’ago, mettiamo il pollice sul foro d’entrata e premiamo sullo stantuffo: il gas contenuto nella siringa riduce notevolmente il suo volume. ! 3.3.5 - Il plasma Il plasma è considerato il quarto della materia. Sul nostro pianeta non è comune poiché si genera solo in condizioni di temperature elevatissime. In queste condizioni, i materiali passano allo stato aeriforme e gli atomi perdono i loro elettroni. Lo stato di plasma consiste quindi in una sorta di gas di atomi ionizzati, circondati e immersi in un “mare” di elettroni; questo stato di aggregazione è tipico dei materiali che formano le stelle) 18 3.4 - I PASSAGGI DI STATO E’ stato precedentemente detto che la materia è tutto ciò che occupa spazio, possiede massa ed energia e che può anche non essere percepita dai nostri sensi. Essa può trasformarsi in modo naturale (le nubi derivano dalla trasformazione naturale dell’acqua presente sul nostro pianeta che subisce cambiamenti di temperatura per effetto dell’alternarsi del caldo e del freddo), oppure in modo indotto (una tazzina di latte diventa dolce se, al mattino, tu aggiungi alla stessa dello zucchero). Le stesse trasformazioni, naturali o indotte potranno a loro volta differenziarsi in trasformazioni fisiche e trasformazioni chimiche. I passaggi di stato sono quelle trasformazioni nel corso delle quali la materia cambia il suo stato di aggregazione. Si tratta di trasformazioni fisiche poiché non varia la composizione chimica dei materiali interessati dal processo. DA A TRASFORMAZIONE SOLIDO LIQUIDO FUSIONE LIQUIDO AERIFORME VAPORIZZAZIONE AERIFORME LIQUIDO CONDENSAZIONE LIQUIDO SOLIDO SOLIDIFICAZIONE AERIFORME SOLIDO BRINAMENTO SOLIDO AERIFORME SUBLIMAZIONE Ogni sostanza chimica fonde e bolle a una temperatura costante e caratteristica, definita punto di fusione e punto di ebollizione. In generale, fornendo ad un materiale energia sotto forma di calore si favorisce il passaggio da uno stato di aggregazione in cui le particelle sono associate in modo compatto e ordinato (stato solido) o solamente 19 compatto ma poco ordinato (stato liquido) a uno stato in cui esse sono si muovono in maniera autonoma e indipendente (stato aeriforme). Il contrario avviene se il materiale considerato cede calore all’ambiente circostante. Analizziamo ora i diversi passaggi di stato. L’analisi verrà condotta considerando le coppie di opposti passaggi di stato. 3.4.1 - Fusione e solidificazione La fusione è il passaggio di un materiale dallo stato solido allo stato liquido. Affinché un materiale fonda, occorre che dall’ambiente gli sia fornito calore, pertanto il passaggio è definito endoenergetico. La solidificazione è il passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato solido. Contrariamente al senso comune, la solidificazione, essendo l’opposto della fusione, è un processo esoenergetico; questo significa che, anche se sembra impossibile, un materiale mentre solidifica libera calore nell’ambiente circostante. A pressione costante, fusione e solidificazione hanno in comune la temperatura caratteristica cui avvengono: si tratta del cosiddetto punto di fusione. Il punto di fusione è la temperatura alla quale una data sostanza solida, se riscaldata, inizia a fondere e coincide con la temperatura alla quale la stessa sostanza allo stato liquido inizia a solidificare quando viene raffreddata. Per esempio, se si scalda un cubetto di ghiaccio, esso inizia a fondere a 0°C. Allo stesso modo se si raffredda una porzione di acqua liquida, essa inizia a solidificare a 0°C. Se la pressione varia, cambia il valore del punto di fusione. I pattinatori scivolano sul ghiaccio perché la fortissima pressione esercitata dalla lama sul ghiaccio fa sì che il punto di fusione della coppia ghiaccio/acqua si abbassi e di conseguenza il ghiaccio fonde formando una pellicola Giocatore di Hockey. di acqua sulla quale si scivola. Foto di Giovanni Valsecchi 3.4.2 - Vaporizzazione e condensazione La vaporizzazione è il passaggio di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme. Affinché un materiale vaporizzi, occorre che dall’ambiente gli sia fornito calore, pertanto anche questo passaggio, come la fusione, è endoenergetico. La vaporizzazione può avvenire secondo due diverse modalità, dette evaporazione ed ebollizione. 20 L’evaporazione è un processo superficiale: consiste nel progressivo distacco di particelle dalla superficie del materiale liquido e avviene in tutto l’intervallo di temperatura compreso tra il punto di fusione e il punto di ebollizione. Al livello del mare, l’evaporazione dell’acqua può avvenire a qualsiasi temperatura compresa tra 0°C e 100°C: come è noto è molto lenta a valori prossimi a 0°C e molto rapida a valori prossimi a 100°C. L’ebollizione è la trasformazione tumultuosa di un materiale dallo stato liquido allo stato aeriforme. Tale Approfondimento trasformazione avviene in tutta la massa In laboratorio potrai del liquido e si verifica in corrispondenza verificare che la di un preciso valore di temperatura, detto temperatura alla quale punto di ebollizione; per l’acqua tale avvengono i passaggi di temperatura è pari a 100°C. stato rimane costante fin Il punto di ebollizione è fortemente quando tutta la sostanza dipendente dalla pressione ambientale non ha cambiato stato di alla quale si fa avvenire il processo: aggregazione minore è la pressione, più bassa è la temperatura di ebollizione di una data sostanza. Ad esempio, l’acqua in montagna bolle a temperatura inferiore a 100°C, poiché la pressione atmosferica è minore rispetto a quella presente al livello del mare. Un curioso fenomeno fisico - gastronomico dovuto alla pressione è per esempio quello che riguarda le uova: in cima al Monte Bianco non si possono fare le uova sode. Infatti per ottenerle occorre una temperatura di 100 °C e invece l'acqua lassù bolle a circa 80 °C, temperatura non sufficiente a produrre la trasformazione chimica che noi chiamiamo "fare le uova sode". La condensazione è il passaggio di un materiale dallo stato aeriforme allo stato liquido. La condensazione è il passaggio opposto della vaporizzazione, pertanto si tratta di un processo esoenergetico. Anche in questo caso il comune modo di pensare è contrario alla realtà. Al livello del mare, la condensazione può avvenire in tutto l’intervallo di temperatura compreso tra 0°C e 100°C. 3.4.3 - Sublimazione e brinamento La sublimazione è il passaggio di un materiale dallo stato solido allo stato aeriforme. A livello industriale è importantissimo. La liofilizzazione consiste infatti in un metodo che prevede prima il congelamento dell’alimento e successivamente la sublimazione dell’acqua solida in esso contenuta, lavorando sotto vuoto, cioè a pressioni estremamente basse. Altro esempio di sublimazione è la trasformazione delle palline di naftalina (allo stato solido) che vengono poste nei vestiti per prevenire le tarme; esse subiscono con il calore della stanza la trasformazione diretta in vapore senza passare dallo stato liquido. Affinché un materiale vaporizzi, occorre che dall’ambiente gli sia fornito calore, pertanto anche questo passaggio, come la fusione e la vaporizzazione, è endoenergetico. 21 Il brinamento è il passaggio di un materiale dallo stato aeriforme allo stato solido, senza passare per lo stato liquido. Come la solidificazione e la condensazione, anche il brinamento è un processo esoenergetico, in quanto un materiale, mentre brina, cede calore all’ambiente. Il brinamento è di quel fenomeno che si osserva d'inverno quando l'acqua aeriforme contenuta nell'aria a contatto con superfici che hanno una temperatura inferiore a 0° si trasforma in ghiaccio (brina). 3.4.4 - Calore e temperatura Il calore è una forma di energia. L’energia è stata definita come la capacità di compiere un lavoro, cioè di indurre un movimento: il calore induce il movimento delle particelle dei materiali che lo assorbono. Il calore si propaga nel vuoto e nei materiali ad esso trasparenti in forma di radiazione infrarossa; all’interno di materiali non trasparenti, il calore si propaga spontaneamente da materiali a temperatura maggiore, cioè più caldi, verso materiali a temperatura minore, cioè più freddi. Effetti del calore. Quando materiali solidi e liquidi assorbono calore, a livello microscopico aumenta la vibrazione delle particelle costituenti: questo comporta un leggero aumento della distanza tra di esse. Di conseguenza, a livello macroscopico aumenta il volume dei solidi e dei liquidi: questo fenomeno prende il nome di dilatazione termica. Quando materiali aeriformi assorbono calore, a livello microscopico aumenta la velocità delle particelle. Se il materiale aeriforme non è confinato in un ambiente chiuso - è il caso di una massa d’aria riscaldata dal Sole - esso si espande - cioè aumenta di volume - poiché aumenta la distanza media tra le sue particelle. Occorre notare che per i materiali aeriformi, la dilatazione termica è molto maggiore che per solidi e liquidi. Se il materiale aeriforme è confinato in un ambiente chiuso - è il caso del gas presente in una bombola - le particelle non possono allontanarsi l’una dall’altra: l’aumento della loro velocità si traduce in un aumento della pressione che il materiale aeriforme esercita sulle pareti del recipiente. La temperatura è una misura dello stato termico di un materiale, cioè dell’energia cinetica media delle particelle che lo costituiscono. Le variazioni di temperatura sono gli effetti di un trasferimento di calore tra un materiale e l’ambiente circostante o di una generazione di calore all’interno di un materiale: quando un materiale assorbe calore dall’ambiente o quando al suo interno si genera calore, l’effetto è un aumento della sua temperatura, mentre si ha riduzione della temperatura quando un materiale cede calore all’ambiente circostante. 3.4.5 - Calore, temperatura e passaggi di stato Cosa succede se faccio avvenire dei passaggi di stato tenendo controllata la temperatura del materiale che sto utilizzando? Supponiamo di prendere dal congelatore dei cubetti di ghiaccio. Infilo tra di essi un termometro e, dopo aver messo il recipiente sul fornello, registriamo la temperatura a intervalli di tempo regolari: per esempio ogni due minuti. 22 Ecco di seguito la tabella che raggruppa ordinatamente i dati raccolti: tempo in minuti temperatura °C 4m 0 °C 6m 0 °C 8m 0 °C 10m 5 °C 12m 20 °C 14m 40 °C 16m 60 °C 18m 80 °C 20m 100 °C 22m 100 °C 24m 100 °C 26m 100 °C ! Ora proviamo a costruire un grafico: in ascissa scriviamo i tempi in cui abbiamo effettuato la misurazione e in ordinata scriviamo i valori della temperatura registrati, espressi in gradi centigradi. Se vogliamo LEGGERE il grafico diremo che: ✓ la linea rossa rappresenta l’andamento della temperatura al passare del tempo, ✓ la linea rossa non è una linea retta, ma una linea spezzata, ✓ lungo questa linea spezzata si vedono due “pianerottoli”: essi ci dicono che la temperatura durante quegli intervalli di tempo non è aumentata anche se si continua a riscaldare, Se vogliamo SPIEGARE il grafico diremo che: ✓ i due “pianerottoli” rappresentano due periodi di tempo detti soste termiche, ✓ durante le soste termiche accade che il calore fornito non va ad aumentare la velocità con cui si muovono le particelle (aumento della temperatura), ma va a rompere i legami che le tengono unite, aumentando la loro libertà di movimento (passaggio di stato). Il calore che viene fornito a un dato materiale durante un passaggio di stato indebolisce i legami tra le sue particelle e si chiama calore latente. La perdita di calore da parte di un materiale nell’ambiente circostante durante un passaggio di stato è determinata dalla formazione di legami tra particelle; anch’esso è definito calore latente. 23