5. I PASSAGGI DI STATO FISICO 05-PassSta... · I PASSAGGI DI STATO FISICO ... ingresso né fuoriuscita di materia, ... di fusione. La fase solida e la fase liquida della sostanza

nonèunamela - Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze (SENDS) 1

5. I PASSAGGI DI STATO FISICO Come mai dell’acqua lasciata in un bicchiere aperto dopo un po’ di tempo “scompare”? Come mai in inverno si cospargono le strade di sale? Come mai i vetri e gli specchi si appannano? Per rispondere a questi interrogativi, che riguardano fenomeni apparentemente molto diversi tra loro, è sufficiente fare riferimento a un unico concetto, quello di passaggio di stato. Sono chiamati passaggi di stato quei processi nei quali una sostanza passa da uno stato fisico (solido, liquido o gassoso) a un altro. Questi passaggi sono generalmente provocati da variazioni di temperatura e/o da variazioni di pressione. I passaggi di stato sono invertibili: essi avvengono in un senso o nell’altro. I diversi cambiamenti di stato vengono indicati ognuno con un termine specifico, come risulta dal seguente schema:

dallo stato solido allo stato liquido: fusione dallo stato liquido allo stato solido: solidificazione

dallo stato liquido allo stato gassoso: vaporizzazione dallo stato gassoso allo stato liquido: condensazione

dallo stato solido allo stato gassoso: sublimazione dallo stato gassoso allo stato solido: brinamento

Analizziamoli ora uno per uno. FUSIONE E SOLIDIFICAZIONE

Si mette un pezzo di ghiaccio in un recipiente a temperatura ambiente e si tappa il recipiente con un coperchio. Cosa succede al ghiaccio con il passare del tempo? Sappiamo tutti bene, per

Stato gassoso

fusione

solidificazione

Stato solido Stato liquido


esperienza quotidiana, che il pezzo di ghiaccio si trasforma gradualmente in acqua liquida. Nel parlare quotidiano si dice comunemente che il ghiaccio “si scioglie” e si parla con preoccupazione dello “scioglimento” dei ghiacciai a causa del riscaldamento globale; però queste espressioni non sono corrette dal punto di vista scientifico. Infatti, il passaggio di un corpo dallo stato solido allo stato liquido prende il nome di fusione. Nel corso di questo processo si ha un cambiamento di stato fisico. Vi è qualcosa che non cambia? Se consideriamo la fusione del ghiaccio, a livello macroscopico risulta che nel passaggio di stato la sostanza acqua conserva la propria identità: rimane sempre la stessa sostanza.Se il sistema costituito da recipiente, ghiaccio e coperchio ha una massa di 150 grammi, quale sarà la massa del sistema dopo la completa fusione del ghiaccio? Dal momento che non vi è né ingresso né fuoriuscita di materia, è evidente che il sistema peserà ancora 150 grammi. Questo significa che nel processo di fusione si ha conservazione della massa. Quindi, se si considera il processo di fusione a livello macroscopico, risulta che si ha conservazione sia dell’identità della sostanza sia della sua quantità, ossia della sua massa.

A livello macroscopico, nel processo di fusione una sostanza:

a) conserva la propria identità; b) conserva la propria massa. A livello microscopico, se si rappresentano il ghiaccio e l’acqua con il modello particellare, si deve fare in modo che la rappresentazione tenga conto della conservazione dell’identità della sostanza: quindi si deve usare sempre lo stesso tipo di particella perché, come recita un’asserzione del modello particellare, un solo tipo di particelle individua una sostanza. Inoltre, per tenere conto della conservazione della massa della sostanza, il numero delle particelle che rappresentano il ghiaccio deve essere uguale al numero delle particelle che rappresentano l’acqua. Infatti, in base a una delle asserzioni del modello particellare: un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa quantità di sostanza (Figura 1).

Figura 1 – Rappresentazione microscopica della fusione del ghiaccio

A livello microscopico, nel processo di fusione di una sostanza:

a. lo stesso tipo di particella rappresenta la sostanza solida e la sostanza liquida; b. il numero di particelle si conserva.

LA CURVA DI FUSIONE

a. Fusione di una sostanza

Come varia la temperatura del sistema durante la fusione di un corpo solido puro? Consideriamo ancora il sistema ghiaccio/acqua liquida. Alcuni cubetti di ghiaccio vengono sminuzzati e poi collocati in un bicchiere. Si introduce un termometro nel ghiaccio e si legge la temperatura ogni


minuto (la variazione della temperatura avviene più rapidamente se il bicchiere viene immerso in acqua tiepida).

Eseguendo le misure a pressione costante, per esempio la pressione normale, se si riportano i valori della temperatura in funzione del tempo, si ottiene una curva (Figura 2), detta curva di fusione, dalla quale risulta che la fusione del ghiaccio avviene in tre tappe.

Figura 2 – Curva di fusione dell’acqua alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa) Come varia la temperatura alla pressione atmosferica normale e qual è lo stato della sostanza nel corso di ogni tappa?

Tappa n. 1 – La temperatura del ghiaccio si innalza progressivamente fino a raggiungere 0°C. L’acqua è allo stato solido.

Tappa n. 2 – Raggiunta la temperatura di 0°C, il ghiaccio comincia a fondere e compaiono le prime gocce d’acqua liquida; nel sistema sono presenti contemporaneamente acqua liquida e ghiaccio e la temperatura si stabilizza a 0°C (sosta termica) per tutta la durata della fusione.

Tappa n. 3 – Quando tutto il ghiaccio si è trasformato in acqua liquida, la temperatura riprende di nuovo a salire assumendo valori via via crescenti.


Questo comportamento è tipico di tutte le sostanze (Figura 2a): determinata una certa pressione, la loro fusione avviene a una temperatura costante e ben definita, chiamata temperatura o punto di fusione. La fase solida e la fase liquida della sostanza sono presenti contemporaneamente soltanto a questa temperatura. Poiché la temperatura di fusione di una sostanza è costante e ben definita, essa è uno dei parametri che permette di identificare una sostanza (Tabella 1).

Figura 2a – Curva di fusione di diverse sostanze pure alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa)

sostanza T.f. °C naftalina (naftalene) 80 p-diclorobenzene (1,4-diclorobenzene) 54 acqua 100 acido stearico 69

Tabella 1 – Temperatura di fusione di diverse sostanze alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa) Per tutte le sostanze solide valgono quindi le seguenti regole:

Fornendo energia a una sostanza solida, la sua temperatura aumenta fino a raggiungere un valore in cui comincia a fondere,

ossia inizia un passaggio di stato dallo stato solido a quello liquido.

Durante la fusione, la sostanza esiste contemporaneamente nei due stati fisici solido e liquido, e la temperatura resta costante.

La temperatura alla quale avviene la fusione è detta “temperatura (o punto) di fusione” (t.f. o p.f.); il suo valore è costante a pressione costante

b. Fusione di una miscela

Nell’esempio di figura 3 viene riportata una curva di fusione di una miscela di ghiaccio e sale. Come si può notare, la temperatura continua a mutare, ossia la temperatura di fusione di una miscela non è costante.


Figura 3 – Evoluzione dei valori della temperatura durante la fusione dell’acqua salata

c) Sostanza o miscela?

Per decidere se un corpo solido è una sostanza o una miscela, si può studiare il suo comportamento quando esso viene sottoposto al processo di fusione. Infatti, il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido avviene a un valore di temperatura ben determinato, a pressione costante. A valori inferiori alla temperatura di fusione, la sostanza è allo stato solido; a valori superiori alla temperatura di fusione, la sostanza è allo stato liquido. Se invece il passaggio di un corpo da solido a liquido avviene in un intervallo più o meno ampio di temperatura si è in presenza di una miscela.

LA CURVA DI SOLIDIFICAZIONE DI UNA SOSTANZA

Alla pressione atmosferica normale, una miscela di acqua e sale solidifica a temperature inferiori a 0,0°C. Per questo motivo una simile miscela può essere usata come miscela refrigerante; la temperatura di solidificazione dipende dalla quantità di sale presente nella miscela. Si può sfruttare questa caratteristica per studiare l’andamento della temperatura durante la solidificazione dell’acqua. A questo scopo, si colloca un tubo da saggio contenente dell’acqua distillata in una miscela refrigerante costituita di ghiaccio e sale; nel tubo da saggio è posto un termometro, mediante il quale si segue l’andamento della temperatura dell’acqua, rilevandola ogni minuto.

Con i dati sperimentali a disposizione si traccia il grafico della temperatura in funzione del tempo che prende il nome di curva di solidificazione (Figura 4). Anche la curva di solidificazione


dell’acqua, come quella di fusione del ghiaccio, presenta tre zone ben distinte; quindi anche la solidificazione dell’acqua avviene in tre tappe.

Figura 4 – Curva di solidificazione dell’acqua alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa) Come varia la temperatura alla pressione atmosferica normale e qual è lo stato dell’acqua nel corso di ogni tappa?

Tappa n. 1 – La temperatura scende progressivamente fino a raggiungere 0 °C. L’acqua è allo stato liquido. Tappa n. 2 – Raggiunta la temperatura di 0 °C, il ghiaccio comincia a formarsi; nel sistema sono presenti contemporaneamente acqua liquida e ghiaccio e la temperatura si stabilizza a 0 °C (sosta termica) per tutta la durata della solidificazione. Questa è la temperatura di solidificazione che è tipica dell’acqua. Tappa n. 3 – Quando tutta l’acqua liquida si è trasformata in ghiaccio, la temperatura riprende di nuovo a scendere. Un andamento di questo tipo della curva di solidificazione è caratteristico di tutte le sostanze. La temperatura di solidificazione di una sostanza coincide con la sua temperatura di fusione. In conclusione

Il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato solido prende il nome di solidificazione.

La temperatura alla quale avviene la solidificazione di una sostanza è detta temperatura (o punto) di solidificazione e coincide con la temperatura di fusione;

il valore è costante a pressione costante

Se si raffredda dell’acqua salata, ossia una miscela di acqua e cloruro di sodio (NaCl) si può notare che non esiste una temperatura di solidificazione che rimane costante mentre l’acqua solidifica. Al contrario, esiste un intervallo di valori della temperatura durante il quale la miscela solidifica. In effetti, l’acqua salata non solidifica a 0°C, ma a temperature inferiori, tanto più basse


quanto più elevata è la quantità di sale. È questa la ragione per cui in inverno viene sparso sale sulle strade. In tal modo la formazione del ghiaccio avviene a temperature inferiori a 0 °C. VAPORIZZAZIONE E CONDENSAZIONE Prende il nome generico di vaporizzazione il processo in cui una sostanza passa dallo stato liquido allo stato gassoso. In base alle condizioni sperimentali. La vaporizzazione può avvenire secondo due modalità distinte: l’evaporazione e l’ebollizione.

a) Evaporazione

Immaginiamo di avere a disposizione un sistema a temperatura ambiente costituito da un bicchiere aperto che contiene un po’ di acqua. Cosa succede al sistema con il passare del tempo? Dal punto di vista percettivo, ossia dal punto di vista dei fatti che riusciamo a percepire con i nostri sensi, noteremo che con il passare del tempo il livello dell’acqua nel bicchiere si abbassa (Figura 5).

Figura 5 - Abbassamento del livello dell’acqua in un bicchiere Come si può spiegare questo fenomeno? Dal punto di vista macroscopico si può dare la seguente spiegazione: il livello dell’acqua si abbassa perché l’acqua evapora, ossia passa gradualmente dallo stato fisico liquido allo stato fisico gassoso. Questo cambiamento di stato fisico prende il nome di evaporazione. Questa è una prima spiegazione del fatto percepito, ma gli scienziati sono andati oltre e si sono chiesti: «Come mai l’acqua evapora?». Per rispondere a questo interrogativo si deve passare dal livello macroscopico a quello microscopico e fare appello al modello particellare della materia. In base a questo modello, l’acqua risulta costituita di particelle piccolissime che sono in continuo movimento, stipate tra loro e disposte in modo disordinato. Le particelle di acqua che si trovano al confine tra acqua e aria (interfaccia) grazie ai loro movimenti possono allontanarsi dal liquido e miscelarsi con le particelle dei gas che compongono l’aria: entrano a far parte del vapor d’acqua che è uno dei costituenti dell’aria (Figura 6).


Figura 6 - Rappresentazione con il modello particellare del fenomeno dell’evaporazione

Naturalmente avviene anche il processo inverso. Le particelle d’acqua disperse nell’aria possono entrare a fare parte della superficie del liquido. Però il numero di particelle d’acqua che abbandonano il liquido è maggiore del numero di particelle che ritornano a farne parte cosicché gradualmente il livello dell’acqua nel bicchiere diminuisce. L’interpretazione dell’evaporazione con il modello particellare consente di rendersi conto facilmente che si tratta di un processo lento e regolare che avviene unicamente alla superficie del liquido. Infatti le particelle interessate sono quelle disposte sulla superficie di confine tra l’acqua e l’aria, le uniche che abbiano la possibilità di staccarsi dal liquido passando nell’aria sovrastante. Il processo di evaporazione avviene quando un liquido (per esempio, l’acqua) viene esposto all’aria e si produce a qualunque temperatura. Per esempio, un panno umido esposto all’aria asciuga gradualmente con il passare del tempo. A livello macroscopico, l’asciugatura del panno è spiegata chiamando in causa l’evaporazione: l’acqua contenuta nel panno passa dallo stato liquido allo stato di vapore. A livello microscopico, l’asciugatura viene spiegata con il modello particellare: le particelle costituenti l’acqua che imbeve il panno si allontanano gradualmente dalla superficie del panno e passano nell’aria circostante. I panni asciugano non solo quando fa caldo ma anche quando fa freddo: in effetti, i panni vengono messi ad asciugare all’aperto anche in inverno. Indubbiamente, quando fa freddo il processo di asciugatura è più lento rispetto a quando fa caldo, ma si produce comunque. Le acque superficiali (oceani, mari, laghi, corsi d’acqua) evaporano a qualsiasi temperatura, all’equatore come ai poli, e quindi l’evaporazione è un fenomeno naturale che occupa un posto importante nel ciclo dell’acqua. Nel caso dell’acqua contenuta in un recipiente, quanto più elevata è la temperatura dell’acqua, tanto più rapido è l’abbassamento del livello del liquido. Questo è quanto possiamo constatare a livello macroscopico. Come interpretare questo fatto a livello microscopico? Aumentando la temperatura dell’acqua, aumenta l’intensità dei movimenti delle particelle. Queste si muovono a maggior velocità e quindi aumenta il numero di particelle che abbandonano la superficie del liquido e passano nell’aria sovrastante. Questo spiega come mai il livello dell’acqua si abbassa più in fretta quando la si riscalda, ossia quando le viene fornita energia. Quindi, se si vuole accelerare il processo di evaporazione di un liquido, lo si deve riscaldare. Però esiste un’altra possibilità. Dato che si tratta di un processo che avviene sulla superficie esterna del liquido, è evidente che tanto più estesa è questa superficie, tanto più elevato è il numero di particelle che si staccano dalla superficie per passare nell’aria nello stesso periodo di tempo. È perciò possibile accelerare l’evaporazione agendo sulle dimensioni del contenitore e scegliendone


uno che consenta all’acqua di presentare una più ampia superficie di contatto con l’aria, ossia una più estesa interfaccia acqua-aria (Figura 7).

Figura 7- Il contenitore più basso e più largo consente una maggiore velocità di evaporazione

b) Ebollizione

Anche l’ebollizione, come l’evaporazione, è un processo di vaporizzazione, ossia di passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato di vapore. Quali sono le principali differenze fra i due processi?

1. Il processo di evaporazione interessa soltanto la superficie del liquido, ossia l’interfaccia liquido/aria, e avviene in modo lento e regolare; al contrario, il processo di ebollizione (figura 8) interessa tutta la massa della sostanza liquida e avviene in modo veloce e tumultuoso: esso infatti consiste nella formazione di bolle di vapore che vengono a scoppiare alla superficie.

Figura 8 – Fotografie di acqua in ebollizione 2. L’evaporazione avviene a tutte le temperature, mentre l’ebollizione avviene a una

temperatura specifica per ogni sostanza liquida, chiamata temperatura di ebollizione o punto di ebollizione.

Nel caso dell’acqua, la temperatura di ebollizione è 100°C a una pressione equivalente a quella del livello del mare (101,3 kPa). Come si può vedere nel grafico di figura 9, prima dell’ebollizione, la temperatura aumenta in continuazione (fase 1) e l’acqua evapora sempre più velocemente con l’aumentare della temperatura; però a partire dal momento in cui l’acqua comincia a bollire, la temperatura cessa di aumentare e si mantiene costante fino a quando tutto il liquido non è passato allo stato di gas (fase 2).


Figura 9 – Evoluzione della temperatura dell’acqua durante la sua vaporizzazione Secondo il tipo di sostanza, la temperatura alla quale avviene l’ebollizione varia notevolmente. Nella Tabella 2 sono riportate le temperature di ebollizione di alcune sostanze misurate alla pressione atmosferica normale, ossia 101,3 kPa.

Sostanze Temperatura di ebollizione (°C)1 Acqua 100 Alluminio 2 519 Argento 2 162 Cloruro di sodio 1 413 Etanolo 78,5 Ferro 2 861 Gas idrogeno -253 Gas ossigeno -183 Mercurio 357 Rame 2 562 Oro 2 856 Piombo 1 749 Stagno 2 602 Tungsteno 5 555

Tabella 2 – Temperatura di ebollizione di diverse sostanze alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa

Quindi la conoscenza del punto di ebollizione è una delle caratteristiche che permette di identificare le sostanze. È importante indicare a quale pressione viene determinata la temperatura di ebollizione poiché le variazioni di pressione modificano il punto di ebollizione. Mano a mano che ci si allontana dal livello del mare (pressione atmosferica 101,3 kPa) e si passa ad altezze superiori, la pressione

1 Handbook of Chemistry and Physics


atmosferica diminuisce e l’acqua perviene a ebollizione a una temperatura inferiore a 100°C. Come regola generale, il punto di ebollizione diminuisce di 1 °C per ogni 300 metri di altitudine in più: questo naturalmente influisce negativamente sulla cottura dei cibi poiché i tempi di cottura si allungano in proporzione all’altezza. Se il punto di ebollizione diminuisce al diminuire della pressione ambientale, vale anche l’inverso: con l’aumentare della pressione, sale anche la temperatura di ebollizione. In cucina questa caratteristica viene sfruttata nella pentola a pressione: nell’ambiente ermeticamente chiuso, mano a mano che si forma vapor acqueo, la pressione all’interno della pentola aumenta; di conseguenza aumenta anche la temperatura di ebollizione dell’acqua che può raggiungere anche 120 °C. A sua volta, l’aumento di temperatura riduce i tempi di cottura e permette un risparmio energetico che può arrivare anche al 50%. Come spiegare il processo di ebollizione a livello microscopico con il modello particellare? Mano a mano che si riscalda l’acqua, ossia le si fornisce energia, i movimenti delle particelle diventano sempre più rapidi e più ampi; di conseguenza, le particelle che si staccano dalla superficie dell’acqua sono sempre più numerose e quindi l’acqua evapora sempre più in fretta e in modo “tumultuoso”.

LIVELLO MACROSCOPICO

Vaporizzazione – Processo in cui una sostanza passa dallo stato liquido allo stato gassoso. Si distinguono due modalità: l’evaporazione e l’ebollizione.

Evaporazione – Si ha quando la vaporizzazione interessa solo la superficie di confine della sostanza con l’ambiente che la circonda. Avviene più o meno

intensamente a tutte le temperature.

Ebollizione – Si ha quando la vaporizzazione interessa tutti i punti della massa della sostanza liquida, è tumultuosa e porta alla formazione di bolle di gas in tutta la

massa del liquido. A una determinata pressione, l’ebollizione avviene a un valore determinato di temperatura, tipico di ogni sostanza: temperatura, o punto, di

ebollizione (t.e. oppure p.e.)

LIVELLO MICROSCOPICO

Secondo il modello particellare, in una sostanza allo stato liquido, gli spazi tra le particelle sono più piccoli della dimensione delle particelle che sono disposte in

modo disordinato.

Vaporizzazione – Si ha ogni volta che le particelle della sostanza allo stato liquido si allontanano in modo tale che gli spazi tra loro diventano molto più grandi delle

dimensioni delle particelle e la disposizione diviene più caotica

Evaporazione – Si ha quando ad allontanarsi sono solo le particelle che si trovano alla superficie esterna del liquido.

Ebollizione – Si ha quando, a causa dei movimenti caotici di tutte le particelle della sostanza, queste si allontanano tra loro in tutte le direzioni.


c) Sostanza o miscela?

Uno dei dati che può aiutare a decidere se un corpo liquido è una sostanza o una miscela è il suo comportamento quando viene sottoposto al processo di ebollizione. Infatti, una sostanza possiede, a una determinata pressione, un punto di ebollizione netto e costante, ossia stabile nel tempo. La temperatura di una sostanza liquida che bolle non aumenta anche se si continua a fornire energia (per esempio riscaldando) al sistema, perché questa viene utilizzata per trasformare il liquido in vapore.

Dal ghiaccio solido al vapore d’acqua

Immaginiamo di partire da un pezzo di ghiaccio e di scaldarlo, ossia fornirgli energia. Se si misura l’andamento della temperatura e la si riporta in diagramma in funzione del tempo, si ottiene un grafico che ha il seguente andamento:

Figura 10 – Evoluzione della temperatura e passaggi di stato dell’acqua Analizziamo il grafico:

1. All’inizio dell’esperienza, il blocco di ghiaccio (allo stato solido, S) ha una temperatura inferiore alla sua temperatura di fusione. Tutta l’energia che gli viene trasferita con il riscaldamento viene utilizzata per aumentare la temperatura del blocco di ghiaccio.

2. Quando il blocco di ghiaccio è arrivato alla temperatura di fusione del ghiaccio (0°C), tutta l’energia che gli viene fornita viene utilizzata per fare passare l’acqua dallo stato solido (S) allo stato liquido (L): il ghiaccio fonde. Durante questa fase del processo non vi è aumento della temperatura e nel recipiente è presente acqua allo stato solido e allo stato liquido.

3. Quando tutta l’acqua è passata allo stato liquido (L), l’energia fornita viene utilizzata per aumentare la temperatura dell’acqua liquida. L’acqua che si trova all’interfaccia con l’aria evapora e l’evaporazione aumenta di intensità all’aumentare della temperatura.


4. Quando l’acqua liquida raggiunge la propria temperatura di ebollizione (100°C), tutta l’energia fornita viene utilizzata per fare passare l’acqua dallo stato liquido (L) allo stato gassoso (G) e la temperatura rimane costante. Durante il processo di vaporizzazione (fase 3 e 4), è presente acqua allo stato liquido e allo stato gassoso. Alla fine della vaporizzazione, tutta l’acqua sarà passata dallo stato liquido allo stato gassoso.

5. L’apporto ulteriore di energia al sistema viene utilizzata per aumentare la temperatura del gas (G).

Condensazione

Nella Figura 11 è rappresentato un dispositivo sperimentale molto semplice. L’acqua liquida riscaldata evapora e si forma dell’acqua gassosa che, salendo fino al fondo della teglia reso freddo dal ghiaccio, condensa sotto forma di goccioline di acqua liquida.

Figura 11 – Evaporazione e condensazione dell’acqua

Il passaggio di stato fisico di una sostanza dallo stato gassoso allo stato liquido prende il nome di condensazione.

La condensazione avviene in seguito a raffreddamento della sostanza gassosa oppure a una forte compressione.

A livello particellare, possiamo interpretare questa trasformazione ricordando che, al diminuire della temperatura, diminuisce la velocità di movimento delle particelle, le quali si avvicinano le une alle altre sino a raggiungere, in determinate condizioni, la disposizione che esse hanno in un corpo liquido. Lo stesso risultato può essere ottenuto sottoponendo un sistema gassoso a una forte compressione.


Il fenomeno della condensazione è molto comune perché si produce tutte le volte che l’aria umida subisce una diminuzione di temperatura:

• Le goccioline d’acqua che si trovano sull’erba il mattino presto sono dovute al raffreddamento dell’aria atmosferica. Il vapore acqueo in essa contenuto condensa in goccioline che costituiscono la rugiada. (Figura 12)

• Anche la formazione delle nubi è dovuta alla condensazione del vapore d’acqua. Quando l’aria calda che si innalza dalla superficie terrestre incontra strati d’aria più freddi, Il vapore d’acqua che ne fa parte si trasforma in goccioline che si accumulano sotto forma di nuvole di forma diversa.

• Si ha condensazione del vapore acqueo sulla superficie degli specchi posti in prossimità di una fonte di acqua calda, per esempio la doccia nella stanza da bagno.

• Lo stesso fenomeno si produce in inverno quando la temperatura all’esterno è bassa e l’aria calda e umida dell’interno delle case viene a contatto con i vetri delle finestre.

• Si ha condensazione del vapore acqueo dell’aria sulle pareti esterne di un bicchiere che contiene una bevanda raffreddata con cubetti di ghiaccio (Figura 13)

• Alcune sostanze gassose a temperatura ambiente, come il butano e il propano, vengono compressi e trasformati in liquidi per essere immagazzinati in bombole.

Figura 12 – Gocce di rugiada Figura 13 – Condensazione sulle pareti di un bicchiere

SUBLIMAZIONE E BRINAMENTO

La sublimazione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato gassoso senza passare per una fase liquida intermedia. Nella figura 14 il processo di sublimazione è illustrato a livello macroscopico: a temperatura ordinaria lo iodio si presenta come un solido cristallino di colore violetto-nero e lucentezza metallica che sublima con debole riscaldamento trasformandosi direttamente in un gas di colore viola, che occupa tutto lo spazio a disposizione.


Figura 14 – Illustrazione del fenomeno della sublimazione dello iodio a livello macroscopico In figura 15, il processo di sublimazione è rappresentato a livello microscopico mediante il modello particellare.

Figura 15 – Rappresentazione del processo di sublimazione mediante il modello particellare Le sostanze solide che possono sublimare in condizioni ambientali non sono molte. Una di queste è il ghiaccio secco, costituito di diossido di carbonio, che si presenta come un corpo solido bianco alla temperatura di –78,5 °C. Lasciato a temperatura ambiente in un recipiente, il ghiaccio secco sublima progressivamente senza passare per lo stato liquido. Il notevole abbassamento di temperatura che accompagna questa trasformazione provoca la vistosa formazione di nebbia dovuta alla condensazione del vapore d’acqua presente nell’aria. (Figura 16)

Figura 16 – Sublimazione del ghiaccio secco Il brinamento è il processo inverso della sublimazione: si tratta del passaggio di una sostanza dallo stato gassoso allo stato solido. Per esempio, la brina è un deposito di ghiaccio a forma di scaglie o aghi che si forma per brinamento del vapore acqueo presente nell’atmosfera.


Figura 17 – Fotografia della brina su un ramo

La brina (figura 17) è frequente soprattutto durante le notti invernali con cielo sereno e calma di vento e si forma per il brinamento del vapore acqueo su una superficie fredda (suolo, oggetti, tetti). La brina può assomigliare alla galaverna, la quale però si forma attraverso la solidificazione delle goccioline d’acqua contenute nella nebbia, quando la temperatura è inferiore a 0 °C. Un tipo particolare di brina si ha quando il vapore acqueo solidifica sulla superficie interna di un vetro, per esempio quello di una finestra: questo accade quando l'umidità della stanza è molto alta e la temperatura esterna è molto bassa. Se, invece, l'umidità interna non è alta e la temperatura esterna è molto bassa, il vapore acqueo può solidificare formando sul vetro della finestra delle forme spesso suggestive che prendono il nome di fiori di ghiaccio (Figura 18).

Figura 18 – Fotografia di fiori di ghiaccio

Con il modello particellare, il fenomeno viene interpretato come riavvicinamento e ordinamento (formazione del solido) delle particelle molto lontane tra loro e disordinate (gas). A causare questo cambiamento è la notevole diminuzione del movimento delle particelle dovuto alla brusca diminuzione di temperatura.


TECNICHE DI SEPARAZIONE DELLE MISCELE Stabilire quale tecnica sia più appropriata per la separazione dei vari tipi di miscela, richiede di fare ricorso alle conoscenze acquisite nello studio delle miscele e dei passaggi di stato. In particolare, è necessario aver compreso i concetti di fase e di interfaccia. Infatti, per separare le sostanze che compongono una miscela, occorre prima di tutto stabilire se la miscela è omogenea oppure eterogenea. Individuare le interfacce e quindi il numero di fasi presenti nella miscela è il primo passo che permette di affrontare il problema. Per comprendere variabili e difficoltà della sperimentazione occorre imparare a operare manualmente per conseguire abilità pratiche indispensabili per acquisire competenze di tipo chimico. E quando si usano le mani, è necessario ricorrere alla riflessione; mai dimenticare di tenere inserito il cervello mentre le mani lavorano. Nella Tabella 3 vengono riassunte le tecniche prese in considerazione in questo paragrafo.

Tipo di miscela fasi Tecnica di separazione Esempi di miscele

Miscela eterogenea

S-L Decantazione-filtrazione- centrifugazione

Acqua-limatura di ferro; acqua-zolfo; Acqua-solfato di bario

S-S Metodo dei solventi (vaporizzazione-distillazione)*

Cloruro di sodio-zolfo (solvente acqua); cloruro di sodio-saccarosio (solvente

etanolo) L-L centrifugazione Emulsione acqua-olio

Miscela omogenea

L (S in L)

vaporizzazione-distillazione

cloruro di sodio in acqua saccarosio in acqua

cristallizzazione solfato di rame in acqua cloruro di sodio in acqua

saccarosio in acqua

Estrazione con solvente Soluzione di cloruro di sodio e iodio in

acqua L

(L in L) distillazione frazionata Acqua-etanolo

Tabella 3 – Riepilogo delle tecniche di separazione delle miscele esaminate

Separare i componenti di una miscela eterogenea

Decantazione

Se, per esempio, siamo in presenza di una miscela eterogenea costituita di una fase solida e una liquida, si può ricorrere a varie tecniche. Nel caso che i granuli della fase solida siano abbastanza grandi e non ci siano granuli solidi in sospensione nel liquido, è possibile lasciare decantare la fase solida e limitarsi a versare in un altro recipiente la fase liquida (figura 19).


Figura 19 – Schema della tecnica di decantazione di una miscela eterogenea

Filtrazione

Quando viene utilizzata questa tecnica, ci si rende conto quasi sempre che la separazione è insoddisfacente ed è necessario ricorrere al passaggio della fase liquida attraverso un filtro che consenta di trattenere anche i minuscoli granelli della fase solida. A questo scopo sono in commercio filtri capaci di trattenere granuli di diversa dimensione; minore è la dimensione dei granuli, più piccoli devono essere i pori del filtro utilizzato. Nella figura 20 viene schematizzato un semplice dispositivo per la filtrazione.

Figura 20 – Schema della tecnica di filtrazione di una miscela eterogenea

Esistono molte varianti di questa tecnica, più sofisticate e più efficaci, ma tutte hanno in comune lo stesso obiettivo: separare le fasi della miscela eterogenea. Però lo scopo ultimo è quello di separare le sostanze costituenti la miscela; è bene dunque avere sempre presente che la fase solida (il residuo solido della figura 20) potrebbe anche essere costituita di più sostanze solide, quindi essere a sua volta una miscela eterogenea; così come la fase liquida (il filtrato della figura 20) potrebbe essere una miscela omogenea (soluzione). Sarebbe allora necessario procedere a ulteriori separazioni, secondo le tecniche che sono


descritte di seguito.

Centrifugazione

Soprattutto se si opera su piccole quantità di miscela, si può fare ricorso alla centrifugazione. Esistono molte tipologie di centrifuga e molti tipi di provette adatte per questo dispositivo. Nella figura 21 vengono riportate le fotografie di una centrifuga manuale (21a) e di una centrifuga elettrica (21b). La centrifugazione non è altro che una decantazione resa più efficace da un’accelerazione centrifuga che separa le fasi sfruttando la loro diversa densità. A questo proposito, va ricordato che spesso le fasi presenti in alcune emulsioni si separano molto lentamente. Per accelerare e migliorare la separazione delle fasi liquide si può ricorrere a centrifugazione.

Figura 21 – fotografia di una centrifuga manuale (a) e di una centrifuga elettrica.

Metodo dei solventi

Quando la miscela è costituita da due sostanze allo stato solido, si può ricorrere a un solvente capace di sciogliere solo una delle due sostanze; comunemente questa tecnica viene detta metodo dei solventi. In questo modo, si ottiene una sospensione costituita da due fasi che possono essere separate per filtrazione: il residuo solido è una delle due sostanze, mentre il filtrato è la soluzione della seconda sostanza disciolta nel solvente scelto per la separazione. Il filtrato viene separato nelle due componenti, solvente e soluto, con le tecniche descritte di seguito. Una miscela di cloruro di sodio e zolfo può essere separata aggiungendo il solvente acqua. Lo zolfo non si scioglie, mentre il cloruro di sodio forma una soluzione acquosa. La separazione mediante filtrazione consentirà di recuperare nel filtro lo zolfo e nel filtrato il cloruro di sodio sciolto in acqua.

Separare i componenti di una miscela omogenea

Quando un sistema si presenta in una sola fase, è necessario fare in modo che si formi un’altra fase, per esempio mutando lo stato di aggregazione di una delle sostanze da separare.

a b


Vaporizzazione e distillazione

Una miscela omogenea può essere costituita da una sostanza solida disciolta in un solvente liquido. È il caso, per esempio, del filtrato ottenuto con il metodo dei solventi. In genere, le temperature di ebollizione della sostanza solida e del solvente hanno valori molto lontani tra loro. Per esempio, il filtrato ottenuto con il metodo dei solventi è una miscela omogenea costituita di acqua e cloruro di sodio. La temperatura di ebollizione dell’acqua è 100 °C, mentre quella del cloruro di sodio è 1413 °C. Quando la temperatura della soluzione supera i 100° C l’acqua vaporizza e abbandona il recipiente, mentre il sale non cambia il suo stato fisico e rimane nel recipiente. Se non si vuole conservare il solvente, lo si vaporizza scaldando la miscela; nel recipiente rimane il soluto allo stato solido. Se, invece, si vuole recuperare anche il solvente si ricorre alla distillazione di cui è visibile uno schema nella figura 22.

Figura 22 – Schema della tecnica di distillazione semplice di una miscela

Il solvente in fase gassosa (vapore) si raffredda passando nel refrigerante e condensa; viene recuperato in un recipiente come distillato. Nel pallone riscaldato rimane, allo stato solido, la sostanza che era disciolta.

Cristallizzazione

Quando una sostanza solida si trova miscelata e disciolta in un liquido può essere utile ricorrere alla cristallizzazione. Quando si discioglie una sostanza in un solvente, per esempio il saccarosio nell’acqua, si nota che non è possibile scioglierne quantità grandi a piacere. Stabilita una temperatura, la quantità di saccarosio che si può sciogliere in 100 cm3 di soluzione acquosa è determinata: giunti a questa quantità, un’ulteriore aggiunta si deposita sul fondo del recipiente come corpo di fondo e la soluzione è satura (figura 23); se si aumenta la temperatura, aumenta la quantità di saccarosio che si può sciogliere in 100 cm3 di soluzione.


Figura 23 – Rappresentazione di una soluzione satura In genere, la quantità di soluto che si può sciogliere in 100 cm3 di soluzione acquosa aumenta all’aumentare della temperatura. La cristallizzazione è una tecnica che sfrutta questa variazione di solubilità di una sostanza al variare della temperatura. Il nitrato di potassio è una sostanza la cui solubilità dipende in modo notevole dalla temperatura e si presta bene come esempio: alla temperatura di 0,0 °C, si possono sciogliere al massimo 13,3 g di nitrato di potassio in 100,0 cm3 di soluzione acquosa. Alla temperatura di 100,0 C° la quantità di nitrato di potassio che si può sciogliere nello stesso volume di soluzione è 247 g. Se prendiamo una soluzione satura di questo sale alla temperatura di 100 °C e la lasciamo raffreddare, mano a mano che la temperatura diminuisce una parte del sale esce dalla soluzione e forma dei cristalli. La solubilità del sale continua a diminuire avvicinandosi alla temperatura ambiente e sempre più sale cristallizza; contemporaneamente alla diminuzione della temperatura, l’acqua evapora, facendo così diminuire ulteriormente la capacità del sale di rimanere disciolto: i cristalli crescono di dimensione e di numero (figura 24).

Figura 24 – Fotografia di cristalli di nitrato di potassio

Raffreddando ed evaporando lentamente la soluzione satura si possono ottenere cristalli di maggiori dimensioni. Esistono dei recipienti dall’ampia superficie di evaporazione e dal fondo bombato (cristallizzatori) che favoriscono una buona formazione dei cristalli.

Estrazione con solvente

Quando più soluti sono disciolti insieme in un unico solvente, si può utilizzare la tecnica dell’estrazione con solvente. Per comprendere questa tecnica, ci si può riferire a un esempio. Consideriamo una miscela omogenea costituita da iodio e cloruro di sodio disciolti in acqua; la miscela appare di colore bruno dovuto allo iodio disciolto in acqua. La miscela viene collocata in un imbuto separatore (figura 25), e alla soluzione viene aggiunto un altro solvente, il tetraclorometano, immiscibile con l’acqua e capace di sciogliere lo iodio, ma non il cloruro di sodio. Inoltre, lo iodio si scioglie molto meglio nel tetraclorometano che nell’acqua (si dice che il tetraclorometano ha maggiore affinità dell’acqua per lo iodio). Nel sistema sono ora presenti due


fasi liquide: nella parte superiore, si ha una soluzione di cloruro di sodio in acqua; nella parte inferiore una soluzione, che appare di colore viola, di iodio in tetraclorometano. Nella figura 26a è rappresentata con il modello particellare la miscela acquosa di iodio e cloruro di sodio; nella figura 26b sono rappresentate le due fasi e i loro componenti.

Figura 25 – Tecnica dell’estrazione con solvente: le due fasi dopo l’estrazione

Figura 26 – Rappresentazione con il modello particellare dell’estrazione con solvente

Naturalmente, le sostanze cloruro di sodio e iodio possono essere separate dai rispettivi solventi per vaporizzazione o distillazione. Tuttavia, dato che il tetraclorometano è molto tossico, bisogna operare in modo tale da non essere esposti a rischi. Tutte le operazioni devono essere effettuate sotto cappa e la distillazione deve essere predisposta per il recupero del solvente.

Distillazione frazionata Tra le miscele omogenee prese in considerazione, c’è la soluzione di acqua e etanolo. Sono due sostanze che possono miscelarsi in tutte le proporzioni, entrambe allo stato liquido in condizioni ambiente e le cui temperature di ebollizione non hanno valori molto distanti. Alla pressione atmosferica normale (101,3 kPa), l’acqua bolle a 100 °C e l’etanolo a 78,5 °C. Le due sostanze possono essere separate con la tecnica della distillazione, ma nel distillato non è presente solo la sostanza che ha la t.e. più bassa, ossia l’etanolo, ma anche l’acqua. Però, nel distillato la quantità di etanolo è aumentata in proporzione a quella dell’acqua. Come mai? Occorre interpretare con il


modello particellare questi fatti. Se nel distillato sono presenti sia acqua sia etanolo, il modello particellare ci fa ipotizzare che dalla fase liquida si siano allontanate sia particelle di etanolo sia particelle di acqua. Se nel distillato si riscontra che la quantità di etanolo è aumentata rispetto alla quantità di acqua, si può ipotizzare che le particelle di etanolo si allontanino dalla fase liquida più facilmente di quelle di acqua. Però, acqua ed etanolo non sono state separate, lo scopo non è stato raggiunto. Come si potrebbe agire? Si potrebbe distillare il distillato, così nel nuovo distillato aumenterà ancora di più la quantità di etanolo rispetto a quella dell’acqua. Si dovrebbe, a questo punto, procedere a molte distillazioni successive; una pratica che ovviamente presenta notevoli difficoltà operative. Esiste, però, una tecnica appropriata: la distillazione frazionata. Questa tecnica ha molta importanza a livello industriale, soprattutto per la separazione delle sostanze componenti il petrolio. Esistono diverse colonne per la distillazione frazionata in laboratorio. Nella figura 27 viene proposta una colonna piuttosto semplice da assemblare che può essere utilizzata per separare in modo abbastanza efficace la miscela acqua-etanolo.

Figura 27 – Schema della tecnica di distillazione frazionata della miscela acqua-etanolo

Quando i vapori di acqua ed etanolo salgono lungo la colonna, incontrano uno strato di perline di vetro che causano una diminuzione di temperatura. L’acqua, che bolle a 100 °C, condensa sulle perline e ricade nella miscela, mentre i vapori di etanolo, la cui temperatura di ebollizione è di 78,5 °C, raggiungono il refrigerante e condensando passano allo stato liquido nel distillato.


RETICOLO DI CONCETTI

Utilizzando la lista di concetti di seguito proposta, costruisci un reticolo di concetti che, secondo te, riassuma le idee, le definizioni, le affermazioni che sono contenute nelle attività affrontate nelle sequenze riguardanti il modello particellare della materia, le miscele e i passaggi di stato. Associa al reticolo una lista di asserzioni che esplicitino quali connessioni esistano tra i vari concetti. Se lo ritieni necessario o comunque utile, aggiungi altri concetti nella costruzione del reticolo. corpo, sistema omogeneo, sistema eterogeneo, miscela omogenea, miscela eterogenea, identità, particelle, proprietà macroscopiche, fase, modello particellare, stati fisici di aggregazione, interfacce, sostanza, trasformazioni fisiche ESERCIZI E PROBLEMI

1. Tenendo conto del seguente schema, rispondi agli interrogativi.

a. Come deve evolvere la temperatura di una sostanza (per esempio, acqua distillata) affinché essa possa subire i cambiamenti di stato rappresentati dalle frecce rosse?

b. Come deve evolvere la temperatura di una sostanza (per esempio, acqua distillata) affinché essa possa subire i cambiamenti di stato rappresentati dalle frecce grigie?

2. Uno studente ha studiato la fusione del mercurio rilevando la temperatura a intervalli di cinque minuti. Poi ha portato in diagramma la temperatura in funzione del tempo e ha ottenuto la curva seguente:

Stato gassoso

fusione

solidificazione

Stato solido Stato liquido


Temperatura (°C)

Tempo (min)

a. Collega i punti sul grafico, indica in quante zone si divide la curva e indica, per ogni zona, in quale stato fisico si trova il mercurio.

b. Indica quali scale sono state utilizzate su ogni asse nella forma: 1 quadratino corrisponde a ……..

c. Qual è la temperatura del mercurio al decimo minuto? d. Il mercurio è una miscela o una sostanza? Giustifica la tua risposta. e. Qual è la temperatura di fusione del mercurio? Giustifica la tua risposta.

3. Si è studiata la solidificazione del cicloesano rilevando la temperatura a ogni minuto. In tabella sono raccolti i dati ottenuti

Tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temperatura (°C) 12 7,8 6 6 6 6 6 6 5,1 3,6 2,1

Traccia sulla carta millimetrata la curva di solidificazione

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

40

20

-20

-40

-60

-80

-100


a. Quale grandezza hai riportato sull’asse delle ascisse? b. Quale grandezza hai riportato sull’asse delle ordinate? c. Qual è l’unità di misura utilizzata per l’asse delle ascisse? d. Qual è l’unità di misura utilizzata per l’asse delle ordinate? e. In quale momento è iniziata la solidificazione del cicloesano? Giustifica la tua risposta. f. A quale temperatura è iniziata la solidificazione del cicloesano? Giustifica la tua risposta. g. Come evolve la temperatura durante la solidificazione?

4. Durante un cambiamento di stato fisico di una sostanza, quali sono le proprietà della sostanza che non cambiano?

5. Come si chiama il cambiamento di stato fisico relativo al passaggio di una sostanza dallo stato liquido a quello solido?

6. Come si chiama il cambiamento di stato fisico relativo al passaggio di una sostanza dallo stato solido a quello liquido?

7. Come si spiega a livello microscopico la pressione che un corpo gassoso esercita sulle pareti del recipiente a tenuta in cui è contenuto?

8. In un recipiente a tenuta, come è possibile aumentare la pressione esercitata da un corpo gassoso sulle pareti?

9. Disponendo di una determinata quantità di acqua, su quali fattori è possibile agire per fare in modo che evapori più in fretta?

10. Perché è meglio utilizzare una pentola a pressione anziché una pentola normale per accelerare la cottura delle verdure? Spiega il fenomeno che si produce.

11. Nella tabella che segue vengono dati, in funzione dell’altitudine, i valori della pressione atmosferica e la temperatura di ebollizione dell’acqua distillata.

Altitudine (metri) Pressione (hPa) Temperatura

d’ebollizione dell’acqua pura (°C)

0 1013 100 1 000 899 97 2 000 795 93 3 000 701 90 4 000 616 87 5 000 540 83 6 000 472 80 7 000 411 77

a. Come mai è difficile fare cuocere la pasta a 4 000 metri? b. Come mai la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuisce in funzione dell’altitudine?

12. Che differenza c’è fra vapore d’acqua e nebbia?


13. Uno studente ha trovato in laboratorio un liquido non identificato contenuto in un flacone senza etichetta. Per stabilire di che cosa si tratta egli decide di provare a modificare il suo stato fisico raffreddandolo e seguendo l’evoluzione della temperatura nel tempo. Ecco i suoi dati sperimentali:

tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

temperatura (°C) 20 15 10 6 6 6 6 6 3 0

a. Per la temperatura a 10 minuti, il termometro indicava il valore seguente:

Annota questo valore nella tabella

b. Traccia il grafico che rappresenta l’evoluzione della temperatura nel tempo utilizzando la seguente scala:

• sull’asse delle ordinate – temperatura: 1 cm corrisponde a 2°C • sull’asse delle ascisse – tempo: 1 cm corrisponde a 1 minuto

c. Secondo te, il liquido sconosciuto è una sostanza? Giustifica la tua risposta. d. A partire da quale istante il liquido sconosciuto comincia a solidificare? e. Avendo a disposizione la seguente tabella, indica il nome del liquido sconosciuto. Giustifica

la tua risposta.

Corpo Temperatura di soldificazione (°C)

Temperatura di ebollizione (°C)

Acqua 0 100 Mercurio - 39 357 Cicloesano 6 80,7 Butano - 35 0,6

14. Immagina di tirare fuori un cubetto di ghiaccio dal freezer, di metterlo in un bicchiere e di lasciarlo lì per un bel po’ di tempo.

a. Descrivi tutti i fenomeni (i fatti che puoi percepire con i tuoi sensi) che secondo te si possono verificare nel tempo.

b. Per ogni fenomeno, indica qual è la spiegazione scientifica.

15. Si mette a scaldare dell’acqua in una pentola. Quando l’acqua bolle, la temperatura misurata è 100 °C. In un’altra pentola, si aggiunge all’acqua fredda una manciata di sale grosso e si riscalda fino a che raggiunge l’ebollizione.


Secondo te, all’ebollizione, la temperatura è: q 100 °C q minore di 100 °C q maggiore di 100 °C Giustifica la tua scelta:…………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………

16. Completa il grafico relativo alla curva di riscaldamento di una sostanza, inizialmente solida, scrivendo negli spazi ciò che ritieni appropriato:

17. A temperatura ambiente (20°C), in quale stato fisico (solido, liquido, gassoso) si trovano le sostanze elencate in tabella?

Sostanza Temperatura di fusione (°C)

Temperatura di ebollizione (°C)

Stato fisico

A -7 58 ……………… B 114 183 ……………… C -101 -35 ………………

18. Disegna una possibile curva che mostri l’evoluzione della temperatura nel tempo quando si riscalda una di queste sostanze a tua scelta.

19. Spiega, facendo anche degli esempi, che cosa hanno in comune e in che cosa sono differenti i processi di evaporazione e di ebollizione.

20. In ciascuno dei recipienti A e B, muniti di tappo a tenuta, viene introdotto 1 cm3 di acetone (Figura 1). Poi si immerge il recipiente B in un contenitore riempito a metà con acqua calda (Figura 2).


Secondo te, dopo dieci minuti, la quantità di acetone liquido rimasto nel recipiente A è: q maggiore della quantità di acetone liquido rimasto nel recipiente B q minore della quantità di acetone liquido rimasto nel recipiente B q uguale alla quantità di acetone liquido rimasto nel recipiente B Giustifica la tua scelta ……………………………………………………………………………………

21. In ciascuno dei recipienti A e B si mette 1 cm3 di acetone (Figura 1); si chiude con un tappo a tenuta il recipiente A, lasciando aperto il recipiente B (Figura 2).

Secondo te, dopo dieci minuti, la massa del recipiente A e del suo contenuto è:

q maggiore della massa del recipiente B e del suo contenuto q minore della massa del recipiente B e del suo contenuto q uguale alla massa del recipiente B e del suo contenuto

Giustifica la tua scelta ……………………………………………………………………………………………


22. In un grande contenitore munito di tappo a tenuta, si mette un piccolo pezzo di naftalina (Fig. 1). La massa complessiva è 520 g. Con il passare del tempo, si vede che il pezzo di naftalina diventa più piccolo (Fig. 2). Dopo un po' di tempo, il solido non si vede più (Fig. 3).

a. Qual è il nome del fenomeno che avviene? ……………….…………………………………….. b. La massa della bottiglia 3 è:

q minore di 520 g q uguale a 520 g q maggiore di 520 g q non so rispondere

Giustifica la tua scelta ………………………………………………………………………………

c. Rappresenta, a livello microscopico, la naftalina contenuta nella bottiglia 1, la naftalina contenuta nella bottiglia 2 e la naftalina contenuta nella bottiglia 3.

bottiglia 1 bottiglia 2 bottiglia 3

23. In un grande contenitore munito di tappo a tenuta, si versa un po’ di etanolo (Figura 1). Con il passare del tempo, si vede che il livello dell’etanolo si abbassa (Figura 2). Dopo un po’ di tempo, il liquido non si vede più (Figura 3).

a. Qual è il nome del fenomeno che avviene? ……………….……………………………………… b. Rappresenta, a livello microscopico, l’etanolo contenuto nella bottiglia 1, l’etanolo

contenuto nella bottiglia 2 e l’etanolo contenuto nella bottiglia 3.

bottiglia 1 bottiglia 2 bottiglia 3


24. Il grafico riporta la curva di riscaldamento di una sostanza la cui temperatura di fusione è di -10°C.

a. In quale stato fisico si trova la sostanza all’inizio del riscaldamento? ……………………… b. Quale passaggio di stato è possibile individuare nel grafico? ……………………………….

Giustifica le tue scelte ……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………

c. Rappresenta, usando il modello particellare, il passaggio di stato che hai individuato

Giustifica le tue scelte ………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………

25. Nel laboratorio di chimica trovi le seguenti miscele:

• cloruro di sodio e acqua • acqua e ferro (limatura) • zucchero e zolfo (polvere)

Utilizzando le tecniche che ritieni più efficaci tra quelle che conosci, organizza un’esperienza pratica di separazione dei componenti delle miscele. Per ciascuna miscela:

a. indica la tecnica che hai scelto


b. elenca il materiale che ti occorre e fai un disegno dell’apparecchiatura c. descrivi le operazioni che intendi compiere

26. Un becher contenente un poco di acqua salata viene lasciato aperto a temperatura

ambiente per alcuni giorni. Rappresenta con il modello particellare la situazione di partenza e quella finale.

RISPOSTE

1. Ai cambiamenti di stato fusione, vaporizzazione e sublimazione si deve associare un aumento della temperatura. Ai cambiamenti di stato solidificazione, liquefazione e brinamento si deve associare una diminuzione di temperatura.

4. Un cambiamento di stato di una sostanza avviene a una temperatura costante, caratteristica della sostanza. In un cambiamento di stato vi è conservazione della massa della sostanza.

5. Il cambiamento di stato fisico dallo stato liquido allo stato solido si chiama solidificazione.

6. Il cambiamento di stato fisico dallo stato solido allo stato liquido si chiama fusione.

7. La pressione che un corpo gassoso esercita sulle pareti del recipiente a tenuta in cui è contenuto è dovuta agli urti delle particelle che costituiscono il gas sulle pareti del recipiente. Tali urti sono dovuti all’incessante movimento delle particelle del gas.

8. In un recipiente a tenuta si può aumentare la pressione che un corpo gassoso esercita sulle pareti del recipiente in due modi:

a. Aumentando la temperatura del gas e quindi la velocità delle particelle e quindi la violenza degli urti sulle pareti.

b. Aumentando la quantità di gas nel recipiente a tenuta e quindi aumentando il numero di urti sulle pareti nell’unità di tempo.

9. La velocità di evaporazione si può aumentare in tre modi: - riscaldando il liquido; - diminuendo la pressione sul liquido; - aumentando l’area della superficie di contatto del liquido con l’aria.

10. Quando si scalda l’acqua, la sua temperatura aumenta fino a raggiungere la temperatura di ebollizione. Il vapore d’acqua che si libera è trattenuto nella pentola e la sua pressione aumenta. Quando questa raggiunge un certo valore, fissato dal costruttore della pentola, la valvola lascia fuoriuscire il vapore in eccesso, ma la pressione all’interno della pentola resta costante. Questa pressione è più elevata della pressione atmosferica per cui l’acqua bolle a una temperatura superiore a 100 °C. Questa temperatura più elevata accelera la cottura della verdura. Sopra la valvola si osserva una nebbiolina dovuta alla condensazione del vapore d’acqua che fuoriesce dalla valvola e entra in contatto con l’aria ambiente che si trova a una temperatura inferiore.

11. a. A 4 000 metri d’altitudine l’acqua bolle a 87 °C e questo spiega come mai sia

praticamente impossibile fare cuocere la pasta.


b. Quanto più ci si sposta verso l’alto rispetto al livello del mare tanto più la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuisce. Ciò è dovuto al fatto che diminuisce l’altezza della colonna d’aria che esercita la sua pressione sulla superficie libera dell’acqua. Le particelle d’acqua sono meno compresse l’una all’altra e quindi possono muoversi più facilmente e con movimenti più ampi. In questo modo hanno bisogno di minore energia per raggiungere lo stato di ebollizione.

12. Il vapore d’acqua è un gas invisibile mentre la nebbia è costituita di goccioline d’acqua sospese nell’aria.

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5. I PASSAGGI DI STATO FISICO 05-PassSta... · I PASSAGGI DI STATO FISICO ... ingresso né fuoriuscita di materia, ... di fusione. La fase solida e la fase liquida della sostanza