(per iscrizioni A.A. 2022/23) 
Passaggi di Stato: cosa e quali sono
Tutti abbiamo studiato i passaggi di stato durante la scuola dell’obbligo ma non tutti ricordiamo esattamente come funzionano e da cosa dipendono.
Per coloro i quali, per esigenze diverse, sono alla ricerca di una pagina che sintetizzi in maniera chiara la materia, l’Università Telematica Niccolò Cusano di Udine ha realizzato questa piccola guida.
Si tratta di un post che fornisce una panoramica completa sugli stati di aggregazione della materia e sulle rispettive caratteristiche.
Gli stati della materia
Le differenti forme in cui si può presentare la materia dipendono dal modo in cui si aggregano le molecole; ecco perché si parla di stati di aggregazione della materia.
La classificazione degli stati prevede quattro possibilità:
- stato solido
- stato liquido
- stato gassoso o aeriforme
- stato plasmatico
Ciò che cambia nei tre stati è la struttura molecolare, ossia il modo in cui avviene l’interazione tra le molecole.
In particolare, se l’interazione è forte la sostanza si presenta in forma solida; se è debole in forma liquida.
Quando invece le molecole sono lontane l’una dall’altra, la materia si presenta in forma aeriforme, o gassosa.
La deduzione ovvia e banale è la seguente: i solidi hanno una densità maggiore dei liquidi e dei gas.
Esaminiamo uno per uno i quattro stati.
Solido
La materia allo stato solido ha forma e volume propri.
Ciò significa che a livello microscopico atomi e molecole sono saldamente legati tra loro, formando un rigido reticolo cristallino. L’unico movimento possibile è il cosiddetto moto vibrazionale, intorno alle proprie posizioni di equilibrio.
Dal momento che i solidi mantengono il proprio volume non possono essere compressi a pressioni non particolarmente alte.
Liquido
La materia allo stato liquido ha un volume proprio ma non ha una propria forma. I liquidi assumono sempre la forma dei recipienti che li contengono.
A livello microscopico i legami tra le molecole sono caratterizzati da un’intensità debole per cui hanno la possibilità di scorrere le une sulle altre.
Proprio come accade per i solidi, mantenendo immutato il volume, i liquidi risultano incomprimibili a pressioni non particolarmente alte.
Aeriforme o gassoso
Un gas non ha né un volume né tanto meno una forma propria; tende ad espandersi fino ad occupare lo spazio disponibile.
I legami tra le molecole hanno un’enorme libertà di movimento.
Come accade per quelle liquide, anche le sostanze gassose assumono la forma del contenitore che le contengono; a differenza dei liquidi però i gas non mantengono un volume proprio per cui possono essere facilmente compressi o espansi attraverso la modulazione della pressione.
Plasma
Per quanto solido, liquido e gassoso siano i tre stati della materia più conosciuti, la classificazione ne prevede un quarto: il plasma.
La materia allo stato plasmatico si presenta come un gas, quindi priva di forma e volume propri; ciò che determina la differenza è che il plasma è ionizzato, ossia formato da cariche elettriche libere (in particolare elettroni e ioni positivi).
Trasformazione della materia
La materia ha la capacità di trasformare il suo stato fisico quando viene sottoposta a variazioni di temperatura, di pressione, o di entrambe.
La variazione comporta il passaggio da uno stato fisico a un altro.
Dal momento che l’alterazione non riguarda la composizione della sostanza ma soltanto il modo in cui sono legate le particelle, ci si trova in presenza del cosiddetto passaggio di stato (o cambiamento di fase), ossia di una trasformazione fisica ma non chimica.
A seconda dello stato di partenza e di arrivo della materia, i passaggi di stato sono identificati dalle seguenti denominazioni:
- fusione = da solido a liquido
- solidificazione = da liquido a solido
- evaporazione = da liquido a gas
- condensazione o liquefazione = da gas a liquido
- sublimazione = da solido a gas
- brinamento = da gas a solido
Esistono altri due passaggi che indicheremo di seguito ma che non analizzeremo in questa sede.
- ionizzazione = da gas a plasma
- deionizzazione = da plasma a gas
Ogni sostanza, in base alle proprie caratteristiche intrinseche, subisce la trasformazione a pressioni e temperature specifiche.
Cerchiamo di capire brevemente come avvengono le trasformazioni.
Fusione
Avviene attraverso la somministrazione di calore; le particelle iniziano a muoversi sempre più velocemente fino ad allontanarsi progressivamente e a scorrere le une sulle altre.
Ogni sostanza ha un proprio punto di fusione (temperatura alla quale avviene il passaggio), che ovviamente coincide con quello di solidificazione
Solidificazione
Mediante la sottrazione di calore si ottiene la solidificazione, ossia la trasformazione da liquido a solido.
Trattandosi del processo inverso alla fusione è facile dedurre che la temperatura che determina la solidificazione è uguale a quella che determina il passaggio da solido a liquido.
Evaporazione
La somministrazione di calore ad un liquido comporta un movimento sempre più rapido delle particelle, che arrivano a rompere i legami e ad allontanarsi l’una dall’altra.
La quantità di energia necessaria affinché avvenga il passaggio prende il nome di ‘calore latente di vaporizzazione’.
L’evaporazione prende il nome di ‘ebollizione’ quando il fenomeno avviene per somministrazione diretta di calore e interessa tutto il liquido.
Condensazione
Il passaggio da gas a liquido avviene attraverso il raffreddamento.
La quantità di energia necessaria affinché avvenga il passaggio prende il nome di ‘calore latente di condensazione’.
Quando è necessario un aumento della pressione, che risulti superiore a quella ambientale, si parla di liquefazione.
Sublimazione
Il termine indica il passaggio diretto da solido a vapore, senza passare attraverso lo stato liquido.
Trattandosi di un processo causato dalla somministrazione di calore prende il nome di ‘endotermico’.
Brinamento
Il processo che prevede il passaggio diretto da vapore a solido avviene quando il vapore entra in contatto con una superficie particolarmente fredda.
La denominazione della trasformazione deriva da ‘brina’ la cui formazione rappresenta un perfetto e chiaro esempio di ‘brinamento’.
Diagramma di stato dell’acqua
Concludiamo il nostro post con lo strumento che consente di estrapolare tutte le informazioni relative agli stati di aggregazione dell’acqua.
Stiamo parlando del diagramma cartesiano di fase il quale, attraverso le variazioni di pressione, indicate sull’asse delle ordinate, e le variazioni di temperatura, indicate sull’asse delle ascisse, permette di individuare le condizioni di esistenza dell’acqua allo stato solido, liquido e gassoso.
