Transizioni di fase: fusione e congelamento

Riscaldare un solido cristallino aumenta l’energia media dei suoi atomi, molecole o ioni, e il solido diventa più caldo. Ad un certo punto, l’energia aggiunta diventa abbastanza grande da superare parzialmente le forze che tengono le molecole o gli ioni del solido nelle loro posizioni fisse, e il solido inizia il processo di transizione allo stato liquido o fusione. A questo punto, la temperatura del solido smette di salire, nonostante il continuo apporto di calore, e rimane costante fino a quando tutto il solido non viene fuso. Solo dopo che tutto il solido si è fuso continuerà a riscaldare aumentare la temperatura del liquido.

Se il riscaldamento viene interrotto durante la fusione e la miscela solido-liquido viene posta in un contenitore perfettamente isolato in modo che nessun calore possa entrare o fuoriuscire, le fasi solido e liquido rimarranno in equilibrio. Questa è quasi la situazione con una miscela di ghiaccio e acqua in un’ottima bottiglia thermos; quasi nessun calore entra o esce, e la miscela di ghiaccio solido e acqua liquida rimane per ore. In una miscela di solido e liquido all’equilibrio, i processi reciproci di fusione e congelamento avvengono a velocità uguali, e le quantità di solido e liquido, quindi, rimangono costanti. La temperatura alla quale le fasi solide e liquide di una data sostanza sono in equilibrio è chiamata punto di fusione del solido o punto di congelamento del liquido.

L’uso di un termine o dell’altro è normalmente dettato dalla direzione della transizione di fase considerata, ad esempio, da solido a liquido (fusione) o da liquido a solido (congelamento). L’entalpia di fusione e il punto di fusione di un solido cristallino dipendono dalla forza delle forze attrattive tra le unità presenti nel cristallo. Le molecole con deboli forze attrattive formano cristalli con bassi punti di fusione. Cristalli costituiti da particelle con forze attraenti più forti si sciolgono a temperature più elevate.

La quantità di calore necessaria per cambiare una talpa di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido è l’entalpia di fusione, ΔH_fus della sostanza. L’entalpia di fusione del ghiaccio è di 6,0 kJ/mol a 0 °C. La fusione (fusione) è endotermica.

Il processo reciproco, congelamento, è un processo esotermico il cui cambiamento di entalpia è −6,0 kJ/mol a 0 °C:

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Sezione 10.3: Phase Transitions.