Passaggi di stato: come avvengono le trasformazioni della materia?

Tutti noi sappiamo che il ghiaccio fonde a 0°C e l’acqua bolle a 100°C ma ci siamo mai chiesti cosa accade esattamente quando una sostanza bolle o fonde? Anzi, volendo essere più rigorosi nei termini: cosa succede quando le sostanze subiscono dei passaggi di stato? Gli stati di aggregazione della materia non sono altro che le condizioni fisiche nelle quali i corpi si trovano a seguito delle condizioni in cui sono posti, cioè dell’ambiente che li circonda, quindi lo stato di aggregazione dipende da temperatura e pressione.

Gli stati della materia noti sono quattro: solido, liquido, gassoso e plasma. Con i primi tre abbiamo una maggiore familiarità, l’ultimo lo tratteremo solo alla fine per non complicare inutilmente le cose sin da subito.

Impareremo molte cose sulle fasi della materia e sulla terminologia adatta, ad esempio iniziamo con una domanda: è corretto dire che il ghiaccio si scioglie in acqua? Pensateci e scopriamolo insieme più avanti nell’articolo.

Ci sono differenze tra i vari stati della materia?

Si, e le differenze principali sono spiegate qui di seguito:

• Stato solido: ci sono due tipi di solidi, quelli amorfi e quelli cristallini, i primi sono definiti dalla mancanza di uniformità nella struttura, detta molto più semplicemente: le molecole e gli atomi che costituiscono il solido sono posizionati in modo disordinato. Nei solidi cristallini, invece, gli atomi e le molecole sono posizionate in modo da definire una certa geometria al corpo solido. Tutti i solidi possiedono una forma propria, così come un volume e una massa.
• Stato liquido: il disordine tra le molecole che costituiscono i liquidi è un via di mezzo tra quello dei solidi cristallini e i gas. Un liquido possiede massa e volume propri, la forma invece dipende dalla forma del contenitore in cui è contenuto.
• Stato aeriforme: nello stato aeriforme il disordine è massimo e le molecole di gas sono libere di muoversi in qualunque direzione sia possibile percorrere, chiaramente possiedono solo una massa propria.

Cosa succede esattamente in un passaggio di stato?

Quando forniamo calore a un corpo solido osserviamo che la sua temperatura aumenta in modo costante fino a quando l’aumento si arresta, in questo caso si dice che ci si trova di fronte ad una sosta termica. In corrispondenza di questa il corpo solido subisce un passaggio di stato, passando da solido a liquido. La temperatura alla quale avviene è detta temperatura di fusione, se il corpo si trova sempre nelle stese condizioni (pressione costante) la temperatura di fusione è sempre la stessa. Successivamente, quando si ricomincia a scaldare il liquido la temperatura ricomincia a salire fino a quando non si incontra un’altra sosta termica dove il liquido si converte in aeriforme. Dopo questa sosta la temperatura può ricominciare a salire e in questo caso non incontra più soste termiche.

In alcuni casi però il comportamento della materia non è influenzato soltanto dalla temperatura, ma anche dalla pressione. Si prenda come esempio il fatto che l’acqua in montagna raggiunge un il punto di ebollizione prima che in pianura. Questo perché la pressione atmosferica in montagna è minore. Una minore pressione consente alle molecole di muoversi più liberamente poiché esercita una forza per unità di superficie minore. Come vedremo più avanti la pressione gioca un ruolo fondamentale nella distinzione tra gas e vapore nello stato aeriforme della materia.

Tutti i passaggi di stato, che sono sei, hanno nomi differenti in funzione degli stati  coinvolti, alcuni sicuramente sono più noti di altri.

• Fusione: da solido a liquido
• Evaporazione: da liquido a aeriforme
• Condensazione: da aeriforme a liquido
• Solidificazione: da liquido a solido
• Sublimazione: da solido ad aeriforme
• Brinamento: da aeriforme a solido
• Ionizzazione: da aeriforme a plasma
• Deionizzazione: da plasma ad aeriforme

Gli ultimi due sono meno noti degli altri passaggi di stato in virtù del fatto che non molte molecole possono effettuarli. Un esempio su tutti è il ghiaccio secco che veniva usato nell’industria cinematografica per gli effetti speciali, il fumo non era altro che anidride carbonica che subiva un processo di sublimazione passando da solido ad aeriforme. L’innescarsi di tale fenomeno dipende dalla  natura chimica della specie e anche dalla pressione atmosferica, infatti non sempre le specie che possono dare brinamento o sublimazione vanno incontro a questi fenomeni se le condizioni non lo permettono.

Ora possiamo rispondere alla domanda sul ghiaccio che si scioglie in acqua, la risposta è no. Anche se si usa spesso nel gergo, dire che il ghiaccio si scioglie in acqua è improprio. Adesso che conosciamo i nomi dei cambiamenti di fase, sappiamo che il ghiaccio fonde in acqua, mentre ad esempio è il sale che si scioglie in acqua. Due terminologie che indicano due cose ben diverse: fondere indica un passaggio di stato, sciogliere indica la formazione di una soluzione partendo da soluto (sale) e solvente (acqua).

Calore latente dei passaggi di stato e punto triplo

La chiave per comprendere cosa accade in un passaggio di stato è racchiusa all’interno della sosta termica, è qui che avviene tutta la magia, pardon, scienza. Il calore che continua a fluire in un corpo quando avviene un qualunque passaggio di stato è usato dal corpo stesso non per incrementare la propria temperatura, ma per rompere tutti i legami che tengono unite le molecole. I legami che vengono rotti sono legami intermolecolari, cioè tra molecole, quelli decisamente più forti e cioè quelli intramolecolari (che tengono uniti gli atomi) si rompono sono in un caso specifico che vedremo più avanti. Quando, invece, si raffredda un corpo caldo il processo è esattamente opposto e quindi i legami intermolecolari che precedentemente sono stati rotti vengo riformati proprio durante la sosta termica. La quantità di calore che bisogna fornire per far avvenire completamente una transizione di fase prende il nome di calore latente:

\( Q = m \lambda \) ,

dove m è la massa dell’oggetto che subisce il cambiamento di fase e Q il calore scambiato. Quando furono condotte le prime misurazioni degli scambi di calore, gli scienziati, si trovarono difronte a perdite o guadagno di calore che non riuscivano a spiegare. Fu compreso poi che il calore è sfruttato come energia per rompere i legami o impiegata per formarli. Questo calore ha preso il nome di latente perché si “nasconde“, o almeno così sembrava inizialmente. In base al tipo di transizione si parlerà di calore latente di fusione, nel caso in cui si scaldi un solido e lo si converta in un liquido, oppure, di calore latente di vaporizzazione nel caso in cui si faccia evaporare un liquido.

Per completare il discorso sui passaggi di stato bisogna parlare anche del punto triplo: quando una sostanza si trova in questa condizione vuol dire che è presente nello stesso istante in tutti  e tre gli stati di aggregazione, liquido, solido e aeriforme. Ogni sostanza possiede un proprio punto triplo a cui corrispondono precisi stati termodinamici di temperatura e pressione. Nel 1954 alla Conferenza dei Pesi e Misure fu deciso e confermato che il punto triplo dell’acqua sia 273.16 K. Il simbolo K indica l’unità di misura in Kelvin, nella scala Celsius il suo valore è di 0.01 °C.

Qual è la differenza tra vapore e gas?

Alcuni cambiamenti di fase avvengono, come fusione e solidificazione, a una determinata temperatura costante durante il processo. Nel caso dell’evaporazione di un liquido invece può avvenire a qualsiasi temperatura. L’evaporazione assume un carattere particolare solo quando la pressione massima del vapore eguaglia la pressione esterna. In questo caso si ha l’ebollizione che avviene a una determinata temperatura, dipendente dalla pressione esterna. L’ebollizione è sempre il cambiamento di fase da liquido a aeriforme, ma caratterizzata dalla precisa condizione appena descritta.

Abbiamo utilizzato il termine vapore per indicare la pressione massima durante il cambiamento di fase, spesso noi usiamo i termini vapore e gas come se indicassero il medesimo stato della materia. Non è così, ma perché?

La figura mostrata sopra rappresenta un esempio di diagramma pV di una sostanza omogenea e pura. Grazie a questo diagramma è possibile apprezzare come cambiano la pressione e il volume specifico (V/m) durante i cambiamenti di fase. A destra della curva rossa è presente la sostanza in fase vapore. Percorrendo un’isoterma, colorata in nero in figura, da destra verso sinistra si arriva al punto \( G_s \), cioè lo stato di vapore saturo. Entrando nella zona di condensazione la curva diventa un’isobara fino al punto \( L_s \) di liquido saturo. Superato questo punto la curva sale nello stato liquido, il fatto che la curva sia verticale significa che il volume non cambia molto al variare della pressione: indice dell’incomprimibilità dei liquidi.

Ebbene, si può ripetere questo ragionamento per tutte le isoterme nere che partono dalla fase di vapore. Salendo però si incontra una curva particolare indicata in blu nella figura, chiamata isoterma critica. La curva dell’isoterma critica divide la fase aeriforme in due: fase gassosa e fase vapore. A destra di questa curva non può esistere più fase vapore, ma solo gassosa. Il punto C sull’isoterma critica è detto punto critico  ed il punto di massima pressione e temperatura in cui si ha equilibrio tra liquido e vapore. La temperatura del punto critico è la temperatura massima a cui si può avere la fase liquida. Quindi la caratteristica della fase gassosa è la seguente: la sostanza resta sempre in fase aeriforme per qualsiasi pressione, l’unico modo per rendere liquida la sostanza è abbassare la temperatura. La pressione è fuori dai giochi. Nella fase di vapore invece, come indica la curva di condensazione, si può passare alla fase liquida non solo abbassando la temperatura, ma anche aumentando la pressione.

Nel diagramma pV ritroviamo anche lo stato termodinamico del punto triplo: è rappresentato dalla linea rossa che unisce i punti A e B, detta linea tripla.

Plasma, il quarto stato ignoto a molti

La necessità di definire un quarto stato di aggregazione della materia nacque quando furono condotti i primi esperimenti sull’elettricità. Già con il noto esperimento dell’aquilone e la chiave di Benjamin Franklin, e successivamente dagli esperimenti di William Crookes e del suo omonimo tubo che identificava i raggi di elettroni. Questo stato della materia fu identificato proprio da William Crookes e successivamente chiamato plasma da Irving Langmuir.

Il plasma si ottiene esclusivamente partendo dalla materia allo stato gassoso, ciò che si ottiene è un insieme di ioni, cioè specie chimiche dotate di cariche, ed elettroni. Questo insieme risulta essere globalmente neutro, quindi con carica complessiva pari a zero. Stranamente il plasma è lo stato della materia più ignorato dalla maggior parte delle persone nonostante costituisca circa il 99.9% di tutto l’universo che conosciamo. Infatti l’interno delle stelle e l’aurora boreale sono esempi di materia nello stato di plasma.

Vi starete chiedendo: quali sono le caratteristiche del plasma? Nei gas i moti delle particelle sono influenzati da deboli interazioni che non si estendono oltre poche molecole. Una volta subito il passaggio di stato nel plasma il moto delle particelle è influenzato dalle cariche elettriche presenti che forze ben più forti. Per questo motivo i campi magnetici interagiscono con il l’aggregato di ioni, è proprio il caso del campo magnetico terrestre che forma le aurore boreali. La presenze di cariche permette al plasma di fungere da conduttore per l’elettricità, questo è il principio usato nelle lampade al plasma che hanno affascinato le generazioni degli anni novanta.

Il processo di passaggio tra stato gassoso è plasma avviene sotto particolari condizioni di temperatura e pressione. In particolare il metodo più semplice per generare un plasma consiste nell’applicare un campo elettromagnetico ad un insieme gassoso. Ad esempio nel caso di una corrente elettrica, per far sì che risulti efficace, la sua intensità deve dipendere dalla pressione a cui bisogna sottoporre uno specifico gas. È importante ricordare che il processo, a differenza dagli altri cambiamenti di stato, deve prevedere la ionizzazione degli elementi presenti. Non basta quindi rompere soltanto i legami tra le molecole e dotarle di nuovi gradi di libertà.