Solidificazione
Passaggi di stato: la solidificazione
Per solidificazione si intende il passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato solido; tale processo avviene tramite raffreddamento di un liquido.
Durante la solidificazione, le particelle che compongono il liquido diminuiscono la propria mobilità e all'atto della solidificazione ogni particella assume una posizione fissa all'interno del reticolo cristallino.
L'energia interna del sistema diminuisce e contemporaneamente viene liberata energia sotto forma di calore rendendo di conseguenze il processo esotermico.
Passaggi di stato della materia: la solidificazione è il passaggio di un liquido allo stato solido.
La solidificazione di sostanze pure avviene a una temperatura costante chiamata temperatura di solidificazione; nel caso di soluzioni, invece, la solidificazione inizia a una certa temperatura e termina ad una temperatura inferiore, cioè il processo di solidificazione avviene in un intervallo di temperature.
La solidificazione si può ottenere anche per variazione della sola pressione o per una simultanea variazione della pressione e della temperatura.
La solidificazione da un punto di vista microscopico
Cerchiamo ora di capire cosa avviene alle particelle del liquido quando la sostanza che compongono va incontro al processo di solidificazione.
Il calore che viene sottratto al liquido durante la solidificazione fa diminuire la sua temperatura, e quindi anche l'energia cinetica delle sue particelle, il cui movimento diventa pertanto sempre meno caotico.
Ad una temperatura sufficientemente bassa, le particelle incominciano ad assumere nella massa della sostanza liquida delle posizioni di equilibrio nello spazio tridimensionale. Da questo momento in poi, la sottrazione di calore dal sistema non fa diminuire la sua temperatura, in quanto il calore sottratto è quello di solidificazione della sostanza, quello cioè che viene liberato quando le sue particelle si distribuiscono con regolare periodicità nello spazio tridimensionale.
Fasi della solidificazione
La solidificazione avviene in due fasi: inizialmente si ha la fase di nucleazione o germinazione, nella quale si ha la formazione dei nuclei, cioè la formazione di piccolissimi aggregati cristallini costituiti da pochi atomi.
La seconda fase è quella dell'accrescimento, durante la quale altri atomi si dispongono ordinatamente intorno ai nuclei accrescendo i piccolissimi aggregati cristallini.
Calore latente di solidificazione
Come già detto, durante il processo di solidificazione, la temperatura del liquido rimane costante. Il calore sottratto durante la solidificazione viene detto "latente" e corrisponde, come detto in precedenza, al calore che viene liberato nella formazione del legame fra le particelle che passano dallo stato liquido allo stato solido.
Più in particolare, il calore latente di solidificazione è la quantità di energia liberata da 1 g di sostanza in fase di solidificazione. È una proprietà intensiva della materia e caratteristica per ogni sostanza pura; nel Sistema Internazionale si misura in J/kg.
Il calore latente di solidificazione è numericamente uguale ma di segno opposto al calore latente di fusione.
Temperatura di solidificazione di alcune sostanze pure
La temperatura di solidificazione è una grandezza caratteristica di ogni sostanza pura e quindi è una proprietà intensiva della materia. Così, alla pressione di una atmosfera (1 atm), ogni sostanza pura ha una caratteristica temperatura di solidificazione.
Nella seguente tabella riportiamo le temperature di solidificazione, calcolate alla pressione di 1 atm, di alcune sostanze pure:
Azoto = - 210 °C
Alcol etilico = - 114°C
Ammoniaca = - 75 °C
Mercurio = - 39°C
Acqua = 0°C
Iodio = 113,7 °C
Zolfo = 115 °C
Piombo = 327 °C
Zinco = 419 °C
Alluminio = 660 °C
La maggior parte delle sostanze durante la solidificazione diminuisce il proprio volume; fanno eccezione poche sostanze tra cui l'acqua, la ghisa e l'argento, l'antimonio, il bismuto e il gallio.
Riassunto sulla solidificazione
1) la solidificazione è il passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato solido;
2) la solidificazione è il passaggio opposto alla fusione;
3) la temperatura alla quale avviene la solidificazione di una sostanza pura è detta temperatura di solidificazione;
4) ogni sostanza pura è caratterizzata da una determinata temperatura di solidificazione, il cui valore dipende dalla pressione a cui viene calcolata;
5) la solidificazione è un processo esotermico in quanto avviene con cessione di calore;
6) durante la solidificazione l'energia cinetica media delle particelle del liquido diminuisce;
7) il calore sottratto durante la solidificazione di una sostanza pura non provoca diminuzione della temperatura del liquido; tale calore è detto calore latente di solidificazione;
8) durante la solidificazione il volume del solido diminuisce; fanno eccezione poche sostanze tra cui l'acqua.
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