La materia può esistere in uno dei diversi stati, tra cui uno stato gassoso, liquido o solido. La quantità di energia nelle molecole della materia determina lo stato della materia.

• Un gas è uno stato della materia in cui atomi o molecole hanno abbastanza energia per muoversi liberamente. Le molecole entrano in contatto l’una con l’altra solo quando si scontrano casualmente.
• Un liquido è uno stato della materia in cui atomi o molecole sono costantemente in contatto ma hanno abbastanza energia per continuare a cambiare le posizioni l’una rispetto all’altra.
• Un solido è uno stato della materia in cui atomi o molecole non hanno abbastanza energia per muoversi. Sono costantemente in contatto e in posizioni fisse l’una rispetto all’altra.

I seguenti sono i cambiamenti di stato:

• Se il calore viene aggiunto a una sostanza, ad esempio nella fusione, vaporizzazione e sublimazione, il processo è endotermico. In questo caso, il calore sta aumentando la velocità delle molecole che le causano muoversi più velocemente (esempi: solido a liquido; liquido a gas; solido a gas).
• Se il calore viene rimosso da una sostanza, ad esempio nel congelamento e nella condensazione, il processo è esotermico. In questo caso, il calore sta diminuendo la velocità delle molecole inducendole a muoversi più lentamente (esempi: da liquido a solido; da gas a liquido). Questi cambiamenti rilasciano calore all’ambiente circostante.
• La quantità di calore necessaria per cambiare un campione da solido a liquido sarebbe la stessa per invertire da liquido a solido. L’unica differenza è la direzione del trasferimento di calore.

Esercizio \(\PageIndex{1}\)

Etichettare ciascuno dei seguenti processi come endotermico o esotermico.

1. condensazione del vapore acqueo
2. fusione dell’oro

Risposta

a. esotermico

b. endotermico

Un cambiamento di fase è un processo fisico in cui una sostanza passa da una fase all’altra. Di solito il cambiamento si verifica quando si aggiunge o si rimuove il calore a una particolare temperatura, nota come punto di fusione o punto di ebollizione della sostanza. Il punto di fusione è la temperatura alla quale la sostanza passa da un solido a un liquido (o da un liquido a un solido). Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza passa da un liquido a un gas (o da un gas a un liquido). La natura del cambiamento di fase dipende dalla direzione del trasferimento di calore. Il calore che entra in una sostanza lo cambia da un solido a un liquido o da un liquido a un gas. La rimozione del calore da una sostanza cambia un gas in un liquido o un liquido in un solido.

Vale la pena sottolineare due punti chiave. Innanzitutto, al punto di fusione o al punto di ebollizione di una sostanza, possono esistere contemporaneamente due fasi. Prendi l’acqua (H2O) come esempio. Sulla scala Celsius, H2O ha un punto di fusione di 0°C e un punto di ebollizione di 100°C. A 0°C, entrambe le fasi solide e liquide di H2O possono coesistere. Tuttavia, se viene aggiunto calore, parte del solido H2O si scioglierà e si trasformerà in H2O liquido. Se il calore viene rimosso, accade il contrario: parte dell’H2O liquido si trasforma in H2O solido. Un processo simile può verificarsi a 100°C: l’aggiunta di calore aumenta la quantità di H2O gassoso, mentre la rimozione di calore aumenta la quantità di H2O liquido (Figura \(\PageIndex{1}\)).

In secondo luogo, come mostrato nella figura \(\PageIndex{1}\), la temperatura di una sostanza non cambia quando la sostanza passa da una fase all’altra. In altre parole, i cambiamenti di fase sono isotermici (isotermico significa “temperatura costante”). Ancora una volta, considera H2O come esempio. L’acqua solida (ghiaccio) può esistere a 0°C. Se il calore viene aggiunto al ghiaccio a 0°C, alcuni dei solidi cambiano fase per rendere liquido, che è anche a 0°C. Ricorda, le fasi solido e liquido di H2O possono coesistere a 0°C. Solo dopo che tutto il solido si è fuso in liquido l’aggiunta di calore cambia la temperatura della sostanza.

Per ogni cambiamento di fase di una sostanza, esiste una quantità caratteristica di calore necessaria per eseguire il cambiamento di fase per grammo (o per mole) di materiale. Il calore di fusione (ΔHfus) è la quantità di calore per grammo (o per mole) necessaria per un cambiamento di fase che si verifica nel punto di fusione. Il calore di vaporizzazione (ΔHvap) è la quantità di calore per grammo (o per mole) necessaria per un cambiamento di fase che si verifica al punto di ebollizione. Se si conosce il numero totale di grammi o talpe del materiale, è possibile utilizzare il ΔHfus o il ΔHvap per determinare il totale del calore trasferito per la fusione o di solidificazione utilizzo di queste espressioni:

\

dove \(n\) è il numero di moli e \(ΔH_{fu}\) è espresso in energia/mole o

\

dove \(m\) è la massa in grammi e \(ΔH_{fu}\) è espresso in energia per grammo.

Per l’ebollizione o la condensazione, utilizzare queste espressioni:

\

dove \(n\) è il numero di moli) e \(ΔH_{vap}\) è espresso in energia/mole o

\

dove \(m\) è la massa in grammi e \(ΔH_{vap}\) è espresso in energia per grammo.

Ricorda che un cambiamento di fase dipende dalla direzione del trasferimento di calore. Se il calore si trasferisce, i solidi diventano liquidi e i liquidi diventano solidi rispettivamente nei punti di fusione e di ebollizione. Se il calore si trasferisce, i liquidi si solidificano e i gas si condensano in liquidi. In questi punti, non ci sono cambiamenti di temperatura come riflesso nelle equazioni di cui sopra.

Tabella \(\PageIndex{1}\) elenca i riscaldamenti di fusione e vaporizzazione per alcune sostanze comuni. Notare le unità su queste quantità; quando si utilizzano questi valori nella risoluzione dei problemi, assicurarsi che le altre variabili nel calcolo siano espresse in unità coerenti con le unità nelle manche specifiche o nelle manche di fusione e vaporizzazione.