Passaggi di stato

PASSAGGI DI STATO

Scopo dell'esperimento

Attraverso quest'esperienza intendiamo studiare il fenomeno della fusione e della solidificazione (entrambi passaggi di stato) in diverse sostanze e differenti quantità.

Materiale occorrente

Termometro con risoluzione di 1°C e fondoscala di 100°C

Cronometro analogico con risoluzione di 1/5 di secondo

Becher (piccolo e grande)

Pipetta per aspirare l'acqua

Acqua

Bunsen 

Provetta

diverse sostanze su cui provare l'esperimento qui elencate:

Nel nostro caso abbiamo sperimentato i passaggi di stato su 7g di Paradiclorobenzene.

Apparato di sostegno in ferro con braccio mobile.

Descrizione dell'esperimento

Ci siamo divisi in otto gruppi, i quali a due a due, come già accennato, avevano una sostanza o una quantità di sostanza diversa dalla nostra. Eseguendo l'esperimento due volte per ogni caso, abbiamo assicurato che ogni gruppo trovasse risultati accettabili, perché, confrontandoli con quelli dell'altro gruppo, hanno potuto costatare di avere eseguito l'esperienza in modo soddisfacente, per giungere a conclusioni consistenti oppure no, nel caso di risultati totalmente incompatibili.

Abbiamo trovato già pronta la provetta contenente 7 grammi di paradiclorobenzene (per evitare spiacevoli incidenti) innestata sul sostegno di legno mediante un elastico. A questo punto abbiamo riempito il becher piccolo d'acqua fredda e, spostando la provetta attraverso il braccio mobile, la abbiamo immersa nel becher, facendo in modo che la sostanza fosse interamente avvolta dall'acqua, ma non la toccasse, altrimenti sarebbe avvenuta una reazione chimica diversa da quella che intendevamo studiare. Abbiamo poi inserito dentro la provetta il termometro.

Abbiamo allora preso il bunsen e abbiamo cominciato a riscaldare il tutto a fuoco basso, in modo da avere un graduale innalzamento della temperatura per osservare meglio la reazione. Contemporaneamente abbiamo fatto partire il cronometro rilevando la temperatura ogni 30 secondi. Il termometro era tenuto al centro della provetta, in modo che non toccasse il vetro, presumibilmente più caldo della sostanza che volevamo effettivamente osservare.

Quando tutta la sostanza si è liquefatta, abbiamo aspettato ancora qualche minuto per osservarne il comportamento in seguito al passaggio di stato, dopodiché abbiamo spento il bunsen e abbiamo iniziato il processo di raffreddamento, continuando a rilevare la temperatura ad intervalli regolari di 30 secondi.

Per fare in modo che il raffreddamento avvenisse gradualmente, abbiamo preso il  becher grande e, riempitolo d'acqua, abbiamo aspirato con la pompa un po' dell'acqua calda nel becher piccolo e, rovesciatala nel lavandino, ne abbiamo aggiunta della fredda prelevandola dal grande. Abbiamo continuato in questo modo finché la sostanza non si è nuovamente "indurita", tornando allo stato solido.

Raccolta dei dati

Riportiamo qui di seguito la tabella con le temperature rilevate nel corso dell'esperimento, durante i diversi passaggi di stato.

Primo riscaldamento

Liquefazione

N.B. Siccome le prime misurazioni sono risultate incompatibili con quelle ottenute dal gruppo avente la nostra stessa sostanza nella stessa quantità, abbiamo supposto di avere compiuto qualche errore nell'esecuzione dell'esperimento e abbiamo quindi eseguito confronti sulla base dei dati rilevati dal secondo riscaldamento. Facendo questo, però, siamo partiti da una temperatura più alta perché, non avendo molto tempo a disposizione, non abbiamo lasciato al preparato il tempo di tornare a temperatura ambiente.

In questo modo abbiamo anche sottolineato l'importanza di ripetere i rilevamenti assegnando lo stesso compito a due gruppi: da soli avremmo potuto credere di avere ottenuto risultati apprezzabili.

L'aspetto

Quando era allo stato solido iniziale, la nostra sostanza si presentava  bianca e granulosa. Allo stato liquido, era trasparente ed emanava un forte odore. Quando abbiamo raffreddato, il paradiclorobenzene formava prima una patina bianca poi, continuando a raffreddare, risultava un blocco duro e cristallino.

T  Raffreddamento

Tempo 0,2 (s)	Temperatura 1 (°C)

Secondo riscaldamento (Liquefazione)

t) Tempo 0,2 (s)	Temperatura 1 (°C)

Dati dei gruppi

N Osservazione dei grafici

Nel rappresentare l'andamento dei dati abbiamo fatto in modo che potessimo confrontare l' andamento della temperatura durante la liquefazione con il suo andamento durante la solidificazione. Dal grafico abbiamo così scoperto che la temperatura cresce all'aumentare del tempo, fino al passaggio di stato, a circa (52 1) °C. A questo punto la temperatura si ferma e resta costante, entro le incertezze, per (150,0 0,2) secondi,  poi ricomincia a salire.

Stesso andamento ha il paradiclorobenzene durante il raffreddamento, però la temperatura cala: ciò avviene fino a (52 1), la stessa temperatura a cui la sostanza si scioglie. Dunque nell'intervallo di temperatura 50 53 °C avviene il passaggio di stato del paradiclorobenzene da solido a liquido o viceversa.

N Osservazione dei dati e conclusioni

I Confronti

Partiamo col confronto tra stesse sostanze in uguale quantità: possiamo osservare che le misure di temperatura, sia di fusione sia di solidificazione, risultano compatibili in tutti i casi, pertanto le misure sono state eseguite accuratamente, o perlomeno nello stesso modo, da ogni coppia di gruppi.

Se osserviamo anche la  temperatura in cui avviene il passaggio di stato della stessa sostanza nei gruppi aventi quantità diverse, notiamo che i loro intervalli di valore si toccano o intersecano; concludiamo pertanto che le misure sono compatibili, e che le temperature di fusione e di liquefazione sono proprietà caratteristiche di ogni materiale, poiché conta la sostanza e non la quantità.

Da un punto di vista microscopico.

Ma se potessimo osservare le molecole delle sostanze prese in esame, cosa potremmo vedere?

Intanto vedremmo che esse non sono perfettamente immobili, ma si muovono in continuazione vibrando (energia vibrazionale).

Come premessa specifichiamo che calore e temperatura non sono la stessa cosa: dovremmo anzi considerare il calore come un' energia fornita alle molecole, che vibrando urtano le pareti del bulbo del termometro, aumentando la temperatura. La temperatura è dunque un effetto della cessione costante di calore. Possiamo verificare questa ipotesi controllando i nostri dati: benché il calore sia fornito costantemente, durante il passaggio di stato la temperatura si arresta. Cedendo calore in continuazione, le molecole rimangono in posizione, ma aumenta la loro energia vibrazionale.

Aumentando la velocità, aumenta il numero degli urti e quindi aumenta la temperatura. Quando raggiungiamo la temperatura di fusione la forza che tiene unite le molecole nella struttura solida, comincia a rompersi.

Tutto il calore che dovrebbe aumentare l'energia vibrazionale (e quindi la temperatura), va a rompere la struttura che tiene le molecole allo stato solido, quindi la temperatura non aumenta (creando nel grafico la linea orizzontale, che rappresenta un aumento di tempo ma non di temperatura all'interno della risoluzione strumentale). Ciò ha per effetto che le molecole comincino a scivolare le une sulle altre, raggiungendo lo stato liquido.

Cosa succede quando, al contrario, sottraiamo calore?

Facendo ciò, diminuiscono le forze tra le molecole che, avendo meno energia di movimento, si muovono più lentamente e colpiscono meno il bulbo del termometro, determinando un calo di temperatura.

Quando la temperatura si ferma, è perché le molecole cominciano a riaggregarsi e, in questo modo, cedono calore e compensano il calo di energia.

Quando tutte le molecole sono allo stato solido, diminuiscono le vibrazioni e, continuando a raffreddare, la temperatura rincomincia a calare (perché le particelle non cedono più energia).

E' bene specificare però che non sappiamo se il calore era dato davvero costantemente nell'intervallo dei 30 secondi: anche solamente aprendo la finestra causiamo un raffreddamento del preparato, oppure non tenendo costante la fiamma. Abbiamo però deciso di tralasciare questo inconveniente perché, osservando i dati durante il passaggio di stato, la temperatura resta costante entro il grado, pertanto queste alterazioni saranno sicuramente comprese entro l'incertezza strumentale.

Dopo queste osservazioni, possiamo applicare la "teoria delle molecole", sopra descritta, al nostro esperimento: le molecole del paradiclorobenzene hanno bisogno di meno calore per allontanarsi e quindi passare allo stato liquido (o tornare allo stato solido) rispetto a quelle del naftalene, perché se si guardano i dati possiamo notare che, in tutti i casi, la prima sostanza fonde e solidifica a (53 1)°C, mentre il naftalene passa di stato a (79 1)°C.

Alla luce di questi fatti, possiamo ora ipotizzare che, nonostante le temperature di fusione e solidificazione siano le stesse per la stessa sostanza anche se in quantità diverse, la temperatura di fusione verrà raggiunta più velocemente dalla provetta contenente meno sostanza. Questo accade perché la stessa quantità di energia è divisa fra un numero minore di molecole, che ne riceveranno pertanto una quantità maggiore rispetto ad altre, velocizzando così il passaggio di stato. Se confrontassimo il grafico della stessa sostanza in quantità diverse, probabilmente osserveremmo un andamento di questo tipo:

t (°C)           t (°C)

t (s)                  t (s)

+sostanza T energia per ogni molecola      sostanza T + energia per ogni molecola

T + tempo per passare di stato                        T tempo per passare di stato

Quindi per la temperatura conta la sostanza e non la quantità, mentre per il tempo conta sia la quantità che la sostanza.