Passaggi di stato: quali sono e come impararli facilmente
I passaggi di stato sono indicati anche come cambiamenti di fase e sono trasformazioni fisiche a cui va incontro la materia. In tutto sono sei e riguardano i tre stati in cui è possibile trovare le sostanze sul nostro pianeta: solido, liquido e gassoso. Ogni passaggio è reversibile, ad esempio l’acqua se fatta evaporare può essere condensata per tornare liquida.
Esaminiamo più a fondo come la materia può compiere queste transizioni.
Gli stati della materia
Prima di tutto occorre chiarire che gli stati fisici della materia non sono tre bensì quattro, poiché esiste anche il plasma. I passaggi di stato che vengono studiati a scuola sono sei e riguardano i primi tre, ma in tutto sono otto. Va considerata anche la trasformazione da gas a plasma e il suo inverso.
Esaminiamo i quattro stati fisici tra cui avvengono i passaggi di stato:
- Solido. Si tratta dello stato con forma e volume propri. Atomi e molecole sono strettamente legati fra loro in un reticolo cristallino. La particelle possono muoversi solo vibrando attorno alla posizione di equilibrio. I solidi non sono comprimibili.
- Liquido. I materiali in questo stato hanno un volume definito ma non una forma, assumono la forma del contenitore. Atomi e molecole sono legati meno saldamente e possono scorrere gli uni sugli altri. Sono comprimibili solo in minima parte ad altissime pressioni.
- Gassoso. Allo stato aeriforme le sostanze non hanno né forma né volume propri. Atomi e molecole hanno grande libertà di movimento ma in questo stato la materia è facilmente comprimibile.
- Plasma. I suoi passaggi di stato sono i più complessi da spiegare, poiché è simile al gas ma risulta ionizzato. Fra le sue molecole infatti si muovo cariche elettriche libere, sia ioni positivi che negativi.
I passaggi di stato
Queste trasformazioni fisiche avvengono in determinate condizioni di temperatura e pressione. Vediamo le singolarmente:
- Fusione. Si tratta del cambiamento di fase da solido a liquido. Avviene quando aumenta la temperatura fornendo calore alla sostanza. Il riscaldamento aumenta i movimenti delle molecole che allentano i legami. Il punto di fusione di una sostanza coincide con quello di solidificazione. Un esempio è il ghiaccio che si scioglie.
- Solidificazione. Tra i passaggi di stato è collegato alla fusione, poiché avviene alla stessa temperatura. Si tratta del passaggio da liquido a solido e avviene tramite la sottrazione di calore, con cui le molecole si avvicinano. Ad esempio mettendo del succo in freezer si ottengono dei ghiaccioli in breve tempo.
- Evaporazione. Si tratta del passaggio dallo stato liquido a quello gassoso. Anche in questo caso occorre fornire calore alla sostanza, arrivando a rompere i legami fra le molecole. Basti pensare a quando l’acqua bolle e inizia a formarsi il vapore sopra la pentola. Se si fornisce calore a tutto il volume del liquido si parla di ebollizione.
- Condensazione. Avviene alla stessa temperatura dell’evaporazione. Si riferisce al cambiamento da aeriforme a liquido. Si verifica per sottrazione di calore e avvicinamento delle molecole di gas. Quando piove il vapore delle nuvole infatti condensa formando delle gocce.
- Sublimazione. Questo e il brinamento sono i passaggi di stato che “saltano” un passaggio. La sublimazione indica il cambio diretto da stato solido a sostanza gassosa, come avviene per la naftalina. Avviene per aggiunta di calore.
- Brinamento. Si tratta del passaggi da stato aeriforme a solido. Si verifica per sottrazione di calore, come nelle notti invernali al vapore acqueo che dà forma alla brina sui prati.
La curva di riscaldamento delle sostanze
Questa curva si costruisce contrassegnando l’asse y come variazione della temperatura e l’asse x come lo scorrere del tempo. Il risultato è una linea che sembra formare i gradini di una scala, con dei segmenti orizzontali e altri in crescita che si alternano.
Le zone in cui la curva è parallela all’asse x e quindi orizzontale sono i passaggi di stato. Vale a dire fusione e evaporazione, oppure condensazione e solidificazione qualora si stia guardando la curva di raffreddamento. Si tratta dello stesso grafico, ma la temperatura scende anziché salire e quindi le due curve sono speculari.
I passaggi di stato nel grafico appaiono come fasi in cui viene fornito calore ma senza che la sostanza aumenti di temperatura. La ragione è che l’energia fornita alla materia serve ad allentare e rompere i legami fra le sue molecole.
Di conseguenza il calore non viene accumulato e la temperatura rimane costante finché la sostanza non è uniforme. Ad esempio finché il ghiaccio non si è sciolto del tutto o l’acqua non è evaporata fino all’ultima goccia. Quando il cambiamento di fase è concluso allora la temperatura riprende a crescere linearmente.
