Modello particellare e passaggi di stato
Hai mai notato che una pentola d'acqua sul fornello non diventa più calda una volta che bolle, anche se la fiamma resta accesa? Dove va a finire tutto quel calore? Per rispondere ci serve un modello: immaginare la materia come un insieme di particelle in movimento.
Il modello particellare e i tre stati
Il modello particellare dice che ogni sostanza è formata da particelle (atomi, molecole o ioni) molto piccole, in continuo movimento, con vuoto tra l'una e l'altra. Gli stati di aggregazione dipendono da due cose: quanto le particelle sono vicine e quanto sono libere di muoversi.
| Solido | Liquido | Aeriforme | |
|---|---|---|---|
| Forma | propria | del recipiente | del recipiente |
| Volume | proprio | proprio | del recipiente |
| Particelle | vicine e ordinate, vibrano | vicine ma disordinate, scorrono | molto lontane, moto libero e caotico |
| Comprimibilità | quasi nulla | quasi nulla | elevata |
Il perché: nei solidi le forze di attrazione tra le particelle sono forti rispetto all'agitazione, nei gas sono trascurabili. La temperatura misura l'agitazione media delle particelle: più è alta, più si muovono velocemente.
Completa la frase con i termini corretti: nello stato solido le particelle sono tra loro e possono solo attorno a posizioni fisse; nello stato gassoso le particelle sono…
Completa la frase con i termini corretti: nello stato solido le particelle sono _ tra loro e possono solo _ attorno a posizioni fisse; nello stato gassoso le particelle sono molto _ e si muovono in modo _.
Una siringa chiusa sulla punta contiene $60\ \text{mL}$ di aria. Gianna spinge lentamente lo stantuffo fino a ridurre il volume a $20\ \text{mL}$, a temperatura…
Una siringa chiusa sulla punta contiene $60\ \text{mL}$ di aria. Gianna spinge lentamente lo stantuffo fino a ridurre il volume a $20\ \text{mL}$, a temperatura costante. Poi ripete l'operazione con una siringa identica riempita di acqua liquida.
- a) Descrivi che cosa osserva Gianna nei due casi.
- b) Spiega la differenza usando il modello particellare.
I passaggi di stato
Un passaggio di stato è la trasformazione di una sostanza da uno stato all'altro. È un fenomeno fisico: la sostanza resta la stessa.
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Fusione: solido → liquido. Solidificazione: liquido → solido.
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Evaporazione/ebollizione: liquido → aeriforme. Condensazione: aeriforme → liquido.
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Sublimazione: solido → aeriforme (come la naftalina). Brinamento (o sublimazione inversa): aeriforme → solido (la brina sui prati).
Per passare da solido a liquido e da liquido ad aeriforme occorre fornire energia (passaggi endotermici); nei passaggi opposti la sostanza la cede (esotermici).
Attenzione alla differenza tra due modi di passare da liquido ad aeriforme. L'evaporazione avviene solo in superficie, a qualsiasi temperatura (la pozzanghera si asciuga). L'ebollizione avviene in tutto il liquido, con bolle di vapore, a una temperatura precisa.
Associa a ciascun fenomeno il nome del passaggio di stato. a) L'acqua di una pozzanghera diventa vapore acqueo a temperatura ambiente. b) Un cubetto di ghiaccio diventa…
Associa a ciascun fenomeno il nome del passaggio di stato.
- a) L'acqua di una pozzanghera diventa vapore acqueo a temperatura ambiente.
- b) Un cubetto di ghiaccio diventa acqua liquida.
- c) Il vapore acqueo sullo specchio del bagno diventa goccioline di acqua.
- d) La naftalina passa direttamente da solido ad aeriforme.
La tabella riporta temperatura di fusione (TF) e di ebollizione (TE) di quattro sostanze a pressione atmosferica normale. Sostanza A: TF $= -39\ ^\circ\text{C}$, TE…
La tabella riporta temperatura di fusione (TF) e di ebollizione (TE) di quattro sostanze a pressione atmosferica normale.
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Sostanza A: TF $= -39\ ^\circ\text{C}$, TE $= 357\ ^\circ\text{C}$
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Sostanza B: TF $= 0\ ^\circ\text{C}$, TE $= 100\ ^\circ\text{C}$
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Sostanza C: TF $= -218\ ^\circ\text{C}$, TE $= -183\ ^\circ\text{C}$
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Sostanza D: TF $= 801\ ^\circ\text{C}$, TE $= 1.413\ ^\circ\text{C}$
- a) In che stato si trova ciascuna sostanza a $25\ ^\circ\text{C}$?
- b) Quale sostanza è liquida nell'intervallo più ampio di temperature?
Temperature di fusione ed ebollizione
Ogni sostanza pura, a una data pressione, ha una temperatura di fusione (TF) e una temperatura di ebollizione (TE) caratteristiche. Per l'acqua a pressione atmosferica normale: TF $= 0\ ^\circ\text{C}$, TE $= 100\ ^\circ\text{C}$.
Per sapere in che stato si trova una sostanza a una temperatura $T$:
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se $T < \text{TF}$: solido;
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se $\text{TF} < T < \text{TE}$: liquido;
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se $T > \text{TE}$: aeriforme.
Una pentola con acqua pura viene scaldata a pressione atmosferica normale. Quando l'acqua bolle, il termometro segna $100\ ^\circ\text{C}$. a) Come si chiama questa…
Una pentola con acqua pura viene scaldata a pressione atmosferica normale. Quando l'acqua bolle, il termometro segna $100\ ^\circ\text{C}$.
- a) Come si chiama questa temperatura?
- b) Che cosa succede alla temperatura dell'acqua se si continua a scaldare mentre l'acqua bolle ancora?
La curva di riscaldamento
Marco scalda del ghiaccio e misura la temperatura ogni minuto. Che cosa osserva?
I tratti inclinati indicano che la temperatura sale: il calore aumenta l'agitazione delle particelle (energia cinetica). I tratti orizzontali (soste termiche) indicano il passaggio di stato: la temperatura resta costante, anche se si continua a scaldare.
Perché? Durante il passaggio di stato il calore non serve ad agitare di più le particelle, ma a vincere le forze di attrazione tra loro, cioè a cambiarne la disposizione. Solo a passaggio concluso il calore torna ad alzare la temperatura. Così si risponde all'inizio: l'acqua che bolle non si scalda oltre $100\ ^\circ\text{C}$, perché il calore trasforma il liquido in vapore.
Vale per le sostanze pure. In un miscuglio (come acqua e sale) la temperatura durante il passaggio di stato varia gradualmente, perché cambia la composizione del liquido residuo: il tratto non è perfettamente orizzontale. Una sosta netta è quindi un indizio di purezza.
Raffreddando si percorre la curva al contrario: le soste sono alla stessa temperatura (condensazione a TE, solidificazione a TF).
Marco scalda un blocchetto di ghiaccio puro, inizialmente a $-10\ ^\circ\text{C}$, e registra la temperatura ogni minuto. Le misure sono: $-10$; $-4$; $0$; $0$; $0$;…
Marco scalda un blocchetto di ghiaccio puro, inizialmente a $-10\ ^\circ\text{C}$, e registra la temperatura ogni minuto. Le misure sono: $-10$; $-4$; $0$; $0$; $0$; $0$; $5$; $12\ ^\circ\text{C}$.
- a) Quale passaggio di stato avviene nei minuti in cui la temperatura resta a $0\ ^\circ\text{C}$?
- b) Spiega, con il modello particellare, perché la temperatura non aumenta durante il passaggio di stato, anche se si continua a fornire calore.
- c) In quale stato si trova il campione alla fine della misura?
Un campione di una sostanza pura viene raffreddato partendo dallo stato di vapore. Il grafico temperatura-tempo mostra due tratti orizzontali: il primo a…
Un campione di una sostanza pura viene raffreddato partendo dallo stato di vapore. Il grafico temperatura-tempo mostra due tratti orizzontali: il primo a $78\ ^\circ\text{C}$ e il secondo a $-114\ ^\circ\text{C}$.
- a) Identifica i passaggi di stato corrispondenti ai due tratti orizzontali.
- b) Che cosa cambia a livello particellare lungo un tratto orizzontale e che cosa lungo un tratto inclinato?
- c) Spiega perché un miscuglio di acqua e sale non mostrerebbe un tratto perfettamente orizzontale durante il passaggio di stato, mentre una sostanza pura sì.
Pressione, evaporazione e sublimazione
Le temperature di ebollizione dipendono dalla pressione esterna. Un liquido ha sempre una certa pressione di vapore (la pressione esercitata dalle sue particelle che passano in fase gassosa), che cresce con la temperatura. Il liquido bolle quando la pressione di vapore eguaglia la pressione esterna: allora le bolle di vapore si formano in tutta la massa e non vengono schiacciate.
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Pressione alta (pentola a pressione, circa $120\ ^\circ\text{C}$): occorre una pressione di vapore maggiore, quindi la temperatura di ebollizione sale. I cibi cuociono più in fretta, perché l'acqua è più calda.
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Pressione bassa (alta quota): basta una pressione di vapore minore, e l'acqua bolle a meno di $100\ ^\circ\text{C}$. A Livigno, a circa $1.800\ \text{m}$, bolle a circa $93\ ^\circ\text{C}$: la pasta in acqua meno calda cuoce più lentamente.
Evaporazione e sublimazione avvengono anche senza raggiungere TE o TF. Le particelle hanno energie diverse: alcune, in superficie, hanno energia sufficiente per sfuggire alle altre. Per questo la pozzanghera si asciuga e il bucato steso asciuga anche sotto zero: il ghiaccio sublima, le sue particelle superficiali passano direttamente allo stato di vapore. Al contrario, il bicchiere freddo si ricopre di goccioline perché il vapore acqueo presente nell'aria condensa sulla parete fredda: l'acqua viene dall'aria, non dal bicchiere.
In una giornata d'inverno a Milano, un bicchiere di acqua fredda appena tolto dal frigorifero si ricopre di goccioline sulla parete esterna. Il bucato steso, invece, in…
In una giornata d'inverno a Milano, un bicchiere di acqua fredda appena tolto dal frigorifero si ricopre di goccioline sulla parete esterna. Il bucato steso, invece, in giornate fredde e secche si asciuga anche con temperature sotto $0\ ^\circ\text{C}$ dopo essersi ghiacciato.
- a) Individua i passaggi di stato coinvolti nei due fenomeni.
- b) Spiega l'origine dell'acqua sul bicchiere.
- c) Spiega perché il bucato ghiacciato si asciuga lo stesso, usando il modello particellare.
In una pentola a pressione l'acqua bolle a circa $120\ ^\circ\text{C}$, mentre a Livigno (circa $1.800\ \text{m}$ di quota) bolle a circa $93\ ^\circ\text{C}$. a) Spiega…
In una pentola a pressione l'acqua bolle a circa $120\ ^\circ\text{C}$, mentre a Livigno (circa $1.800\ \text{m}$ di quota) bolle a circa $93\ ^\circ\text{C}$.
- a) Spiega che cosa significa che un liquido «bolle» in termini di pressione di vapore e pressione esterna.
- b) Spiega le due temperature di ebollizione indicate.
- c) Perché la pasta richiede tempi di cottura diversi nei due casi?
In sintesi
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Nel modello particellare la materia è fatta di particelle in moto; solido, liquido e aeriforme differiscono per distanza e libertà di movimento delle particelle.
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I passaggi di stato sono: fusione, solidificazione, evaporazione/ebollizione, condensazione, sublimazione e brinamento.
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Ogni sostanza pura ha TF e TE caratteristiche (a pressione fissata): confrontando $T$ con esse si ricava lo stato.
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Nelle curve di riscaldamento le soste orizzontali sono passaggi di stato: il calore cambia la disposizione delle particelle, non la temperatura. Nei miscugli la sosta non è netta.
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Un liquido bolle quando la pressione di vapore eguaglia quella esterna: per questo TE aumenta con la pressione e diminuisce in quota.
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Vuoi chiudere il cerchio dell'inizio? L'acqua che bolle resta a $100\ ^\circ\text{C}$ perché il calore serve a vincere le attrazioni tra le particelle e a trasformare il liquido in vapore.