Fusione e solidificazione
Un becher di ghiaccio, riscaldato dall'aria della stanza, è rimasto esattamente a 0 °C per oltre mezz'ora mentre il ghiaccio fondeva.
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Metti sul banco un becher di ghiaccio a −12 °C. OpenStax mostra che cosa succede. Dopo dieci minuti il ghiaccio raggiunge 0 °C e una piccola parte è già fusa. Trenta minuti dopo ne è fuso ancora, ma il termometro segna sempre 0 °C. Solo quando tutto il ghiaccio è scomparso la temperatura riprende a salire, fino a 22.2 °C. Per tutto il tempo il ghiaccio ha assorbito calore dalla stanza. Durante la fusione, però, quel calore non ha fatto aumentare la temperatura.
Dove va il calore
In un cristallo ogni molecola è trattenuta dalle vicine. Riscaldare un solido fa vibrare più intensamente le molecole e la temperatura sale. Al punto di fusione le vibrazioni diventano abbastanza forti da liberare le molecole dalle loro posizioni fisse. Da quel momento l'energia fornita serve a vincere quei legami, non ad accelerare il moto, perciò la temperatura resta costante finché tutto il solido non diventa liquido. L'energia necessaria per fondere una mole di solido è l'entalpia di fusione. Per il ghiaccio vale 6.01 kJ/mol: fondere 18.02 g di ghiaccio richiede quindi 6.01 kJ.
Quanto sono 6.01 kJ/mol? Confrontali con il riscaldamento. Per scaldare 1 g d'acqua liquida di 1 °C servono 4.18 J, quindi per 18.02 g occorrono circa 75.3 J per grado. I 6.01 kJ che fondono quella mole di ghiaccio potrebbero invece riscaldare l'acqua ottenuta di 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C. Ecco perché una bevanda con ghiaccio resta fredda tanto a lungo: ogni cubetto assorbe molto calore prima di scomparire e fino ad allora la bevanda resta vicina a 0 °C.
Il congelamento è lo stesso processo al contrario. Quando l'acqua liquida a 0 °C diventa ghiaccio, libera 6.01 kJ per mole. La fusione assorbe calore, quindi è endotermica; il congelamento lo libera, quindi è esotermico. Fusione e congelamento avvengono alla stessa temperatura: il punto di fusione del ghiaccio e quello di congelamento dell'acqua coincidono. In un recipiente perfettamente isolato, una miscela di acqua e ghiaccio resta a quella temperatura, mentre fusione e congelamento avvengono alla stessa velocità.
Ogni sostanza ha il proprio punto di fusione
La temperatura a cui un solido fonde dipende dall'intensità delle attrazioni fra le sue particelle. I valori seguenti si riferiscono a una pressione di 1 atm e provengono dal NIST Chemistry WebBook. Il mercurio è l'unico metallo dell'elenco liquido a temperatura ambiente: solidifica a −38.84 °C, perciò un termometro a mercurio smette di funzionare sotto quella temperatura. Azoto e ossigeno, tenuti insieme solo da deboli forze intermolecolari, fondono a più di 200 gradi sotto zero.
| Sostanza | Punto di fusione | Punto di ebollizione |
|---|---|---|
| Acqua | 0 °C (273.15 K) | 100 °C (373.15 K) |
| Etanolo | −114 °C (159 K) | 78.4 °C (351.5 K) |
| Mercurio | −38.84 °C (234.31 K) | 356.66 °C (629.81 K) |
| Azoto | −209.9 °C (63.3 K) | −195.8 °C (77.34 K) |
| Ossigeno | −218.4 °C (54.8 K) | −183.0 °C (90.2 K) |
Poiché ogni sostanza pura fonde a una temperatura definita, i chimici usano il punto di fusione per un rapido controllo dell'identità. Un campione che inizia a fondere sotto il valore atteso probabilmente non è puro, perché le impurità disciolte abbassano il punto di congelamento. Il sale sparso su una strada ghiacciata agisce allo stesso modo: una soluzione salina congela sotto 0 °C, il punto di congelamento dell'acqua pura, quindi il ghiaccio fonde anche se l'aria è sotto 0 °C (OpenStax 11.4).
Durante la fusione, la temperatura resta al punto di fusione. Per fondere il ghiaccio servono 6.01 kJ per mole; quando congela, libera la stessa energia.
- Mentre il ghiaccio a 0 °C fonde, la sua temperatura…
- resta a 0 °C
- sale lentamente
- scende sotto 0 °C
- Quanto calore, in kJ, serve per fondere 2.00 mol di ghiaccio a 0 °C?
- Quanto calore, in kJ, serve per fondere 90.1 g di ghiaccio (18.02 g/mol)? Usa 1 cifra decimale.
- Quando congela, l'acqua…
- libera calore
- assorbe calore
- non libera né assorbe calore
- Quale di questi è liquido a 20 °C?
- Mercurio
- Azoto
- Ghiaccio
- L'etanolo fonde a 159 K. A quanti °C corrisponde, arrotondando al grado più vicino?
- Perché azoto e ossigeno fondono a temperature così basse?
- Le forze fra le loro molecole sono deboli
- Le loro molecole sono molto pesanti
- Non contengono atomi
- Una polvere bianca dovrebbe fondere a 135 °C, ma fonde fra 120 e 128 °C. Qual è la spiegazione più probabile?
- Non è pura
- Il termometro misura in kelvin
- I punti di fusione cambiano ogni giorno
- Perché il sale fa fondere il ghiaccio su una strada a −5 °C?
- Il sale disciolto abbassa il punto di congelamento dell'acqua
- Il sale è più caldo del ghiaccio
- Il sale reagisce e brucia
- Ordina per punto di fusione, dal più basso.
- La temperatura resta al punto di fusione finché tutto il solido non è fuso.
- Entalpia di fusione del ghiaccio: 6.01 kJ/mol; il congelamento libera la stessa energia.
- Punto di fusione = punto di congelamento.
- Un'attrazione più forte fra le particelle comporta un punto di fusione più alto.
Fonti di questo corso (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Consultato il: 2026-10-17