Teoria cinetica molecolare dei passaggi di stato

La teoria cinetica molecolare fornisce l’interpretazione dei passaggi di stato di aggregazione della materia:

1)       Fusione ( solido → liquido). Il calore fornito alla sostanza solida fa aumentare la sua temperatura, e conseguentemente l’energia cinetica delle particelle disposte regolarmente su nodi di reticolo cristallino. Con l’aumento della temperatura l’energia cinetica delle particelle prevale sulle loro mutue forze di coesione e pertanto tali particelle si arrangiano nello spazio tridimensionale in modo irregolare e disordinato.

La successiva energia termica erogata viene spesa solo per vincere la forza di coesione tra le particelle e non per incrementare la loro energia cinetica con il che avviene il passaggio di stato solido-liquido senza che la temperatura subisca alcun incremento. Il calore che viene fornito per vincere le forze di coesione tra le particelle del solido viene detto calore latente di fusione della sostanza.

2)     Solidificazione (liquido → solido). Il calore sottratto dalla sostanza allo stato liquido fa diminuire la sua temperatura, e quindi anche l’energia cinetica delle sue particelle, il cui movimento diviene sempre meno caotico. Ad una temperatura sufficientemente bassa, le particelle cominciano ad assumere nella massa della sostanza liquida delle posizioni di equilibrio nello spazio tridimensionale. La successiva sottrazione di calore dal sistema non fa diminuire la sua temperatura, in quanto il calore sottratto è quello di solidificazione della sostanza, quello che cioè viene liberato quando le sue particelle si distribuiscono con regolare periodicità nello spazio tridimensionale.

3)     Ebollizione (liquido→ vapore). Tutti i liquidi evaporano e tale fenomeno è dovuto al fatto che alcune molecole della sostanza liquida che si trovano sulla superficie di separazione con l’ambiente esterno, posseggono l’energia cinetica sufficiente a sfuggire da tale superficie per passare nella fase gassosa sovrastante.
Pertanto fornendo calore a una sostanza liquida, aumenta la probabilità che un maggior numero di molecole passino dalla fase liquida a quella di vapore.

Inoltre, ogni piccolissima bolla di gas, ad esempio aria, aderente sul fondo o sulla parete del recipiente contenente il liquido che viene riscaldato, forma una superficie interna in seno alla massa del liquido, nella quale si raccolgono alcuni vapori della sostanza. Se la pressione di tali vapori è uguale, o meglio leggermente superiore a quella esterna che grava sulla superficie del liquido, dall’interno della sua massa salgono delle bolle di vapore e si verifica l’ebollizione del liquido. Un tale fenomeno non va confuso con l’evaporazione che è limitata alle sole molecole distribuite sulla superficie libera di un liquido, mentre l’ebollizione coinvolge tutte le molecole della massa del liquido.

Quando un liquido inizia a bollire, la sua temperatura rimane costante in quanto il calore che viene fornito detto calore latente di evaporazione al punto di ebollizione viene speso solo per vincere le forze di coesione tra le sue particelle allo stato liquido e non per aumentare la loro energia cinetica.

4)     Condensazione ( vapore → liquido). Raffreddando i vapori di una sostanza l’energia cinetica media delle particelle diminuisce fin quando le forze di coesione prevalgono e la sostanza inizia a passare allo stato liquido. Durante il processo di liquefazione la temperatura rimane costante poiché il calore che viene sottratto dal sistema è quello che viene liberato nella formazione del legame fra le particelle allo stato liquido.

Ragionamenti analoghi vengono seguiti nel passaggio di stato solido → vapore e in quello inverso vapore → solido.

L’influenza della pressione esterna sulla temperatura alla quale avviene un passaggio di stato, può essere prevista applicando l’equazione di Clapeyron che si basa su concetti termodinamici:

dP/ dT = λ/ T ΔV

in cui:

dP = variazione infinitamente piccola della pressione esterna di equilibrio

dT = variazione infinitamente piccola della temperatura esterna di equilibrio

λ = calore latente molare di fusione (evaporazione, sublimazione) della sostanza

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Author: Chimicamo

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