Il fusione è il cambiamento di stato da solido a liquido di una sostanza in un intervallo di temperatura. Se la sostanza ha un alto grado di purezza, l'intervallo corrisponde a una temperatura specifica: il punto di fusione. E quando c'è un certo grado di impurità, il punto di fusione è rappresentato da un intervallo (ad esempio, 120-122 ° C).
È uno dei processi fisici più comuni in natura. I solidi assorbono il calore e aumentano la loro temperatura fino a quando iniziano a formarsi le prime gocce di liquido. Poi altre gocce seguono le prime, e finché tutto il solido non si è sciolto la sua temperatura rimane costante..
Perché? Perché tutto il calore viene consumato per produrre più liquido, invece di riscaldare quest'ultimo. Pertanto, il solido e il liquido hanno la stessa temperatura e coesistono in equilibrio. Se la fornitura di calore è costante, l'equilibrio finisce per spostarsi verso la completa formazione di liquido.
Per questo motivo, quando una stalattite di ghiaccio inizia a sciogliersi in primavera, una volta iniziato il cambio di stato, non terminerà finché non sarà stata trasformata in acqua liquida. Nell'immagine sopra si può vedere che anche alcuni cristalli di ghiaccio galleggiano all'interno di una goccia sospesa.
Determinare il punto di fusione di una sostanza sconosciuta è un ottimo test per identificarla (purché non contenga molte impurità).
Inoltre rivela quanto siano forti le interazioni tra le molecole che compongono il solido; poiché fonde a temperature più elevate, più forti saranno le sue forze intermolecolari.
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La fusione consiste in un cambiamento di stato da solido a liquido. Le molecole o gli atomi nel liquido hanno un'energia media più alta mentre si muovono, vibrano e ruotano a velocità più elevate. Ciò crea di conseguenza un aumento dello spazio intermolecolare e, quindi, un aumento del volume (anche se questo non è il caso dell'acqua).
Poiché nel solido le molecole sono in una disposizione più compatta, mancano di libertà nel loro movimento e hanno un'energia media inferiore. Affinché la transizione solido-liquido avvenga, le molecole o gli atomi del solido devono vibrare a velocità più elevate assorbendo il calore..
Mentre vibra, si separa un insieme di molecole che si uniscono per formare la prima goccia. E così, la fusione non è altro che uno scioglimento del solido causato dall'effetto del calore. Maggiore è la temperatura, più velocemente il solido si scioglierà.
In particolare, la fusione può portare alla formazione di tunnel e pori all'interno del solido. Questo può essere dimostrato attraverso un esperimento dedicato ai bambini.
La fusione si riferisce alla fusione a caldo di una sostanza o miscela. Tuttavia, il termine è stato utilizzato anche per riferirsi alla fusione di altre sostanze non strettamente classificate come solidi: emulsioni.
L'esempio ideale è il gelato. Sono emulsioni di acqua ghiacciata (e in alcune cristallizzata), con aria e grassi (latte, panna, cacao, burro, ecc.).
Il gelato si scioglie o si scioglie perché il ghiaccio supera il punto di fusione, l'aria inizia a fuoriuscire e il liquido finisce per trascinare il resto dei suoi componenti.
La chimica del gelato è estremamente complessa e rappresenta un punto di interesse e curiosità quando si considera la definizione di fusione.
Rispetto ad altre miscele solide, non si può parlare propriamente di punto di fusione a fini analitici; cioè, non è un criterio decisivo per identificare una o più sostanze. In una miscela, quando un componente si scioglie, gli altri possono dissolversi nella fase liquida, che è diagonalmente opposta a una fusione..
Ad esempio, una miscela solida di ghiaccio, zucchero e sale si scioglierà completamente non appena il ghiaccio inizierà a sciogliersi. Poiché lo zucchero e il sale sono molto solubili in acqua, li dissolverà, ma non significa che lo zucchero e il sale si siano sciolti..
Alcuni esempi comuni di fusione possono essere trovati all'interno della cucina. Burri, cioccolatini, gomme da masticare e altri dolci si sciolgono se ricevono il calore del sole diretto o se sono racchiusi in spazi caldi. Alcuni dolci, come i marshmallow, vengono sciolti intenzionalmente per goderne al meglio i sapori.
Molte ricette affermano che uno o più ingredienti devono essere prima sciolti prima di essere aggiunti. Tra questi ingredienti ci sono anche formaggi, grassi e miele (molto viscoso).
Per decorare determinati spazi e oggetti, vengono utilizzati metalli, vetro e ceramica con disegni diversi. Questi ornamenti possono essere visti sulla terrazza di un edificio, nei vetri e nei mosaici di alcune pareti, o negli oggetti in vendita all'interno delle gioiellerie.
Sono tutti costituiti da materiali che fondono ad altissime temperature, quindi devono prima essere fusi o ammorbiditi per poterli lavorare e dare loro le forme desiderate.
È qui quindi che si lavora il ferro incandescente, come fanno i fabbri nella fabbricazione di armi, attrezzi e altri oggetti. Allo stesso modo, la fusione consente di ottenere leghe saldando due o più metalli in diverse proporzioni di massa..
Dal vetro fuso puoi creare figure decorative come cavalli, cigni, uomini e donne, souvenir di viaggio, ecc..
I principali esempi di scioglimento in natura possono essere visti nello scioglimento degli iceberg; nella lava, una miscela di rocce sciolte dal calore intenso all'interno dei vulcani; e nella crosta del pianeta, dove predomina la presenza di metalli liquidi, in particolare il ferro.
Di seguito sono elencate alcune sostanze comuni con i rispettivi punti di fusione:
-Ghiaccio, 0ºC
-Paraffina, 65,6ºC
-Cioccolatini, 15,6-36,1 ° C (notare che è un intervallo di temperatura, perché ci sono cioccolatini che si sciolgono a temperature più basse o più alte)
-Acido palmitico, 63ºC
-Agar, 85ºC
-Fosforo, 44ºC
-Alluminio, 658ºC
-Calcio, 851ºC
-Oro, 1083ºC
-Rame, 1083ºC
-Ferro, 1530ºC
-Mercurio, -39ºC (è liquido a temperatura ambiente)
-Gas metano, -182ºC
-Etanolo, -117ºC
-Carbonio grafite, 4073ºC
-Carbone diamantato, 4096ºC
Come si può vedere, generalmente i metalli, a causa dei loro legami metallici, hanno i punti di fusione più elevati. Tuttavia, il carbonio li supera nonostante abbia legami covalenti, ma con disposizioni molecolari molto stabili.
Piccole molecole apolari, come il gas metano e l'etanolo, non interagiscono abbastanza fortemente da rimanere solide a temperatura ambiente.
Dal resto, la forza delle interazioni intermolecolari all'interno del solido può essere dedotta misurando il suo punto di fusione. Un solido che resiste a temperature torride deve avere una struttura molto stabile.
In generale, i solidi covalenti non polari hanno punti di fusione inferiori rispetto ai solidi covalenti polari, ionici e metallici.
Questo è forse uno degli esperimenti più artistici e semplici per spiegare la fusione ai bambini. Hai bisogno:
-Alcuni piatti, in modo tale che quando l'acqua si ghiaccia al loro interno si formano delle cupole
-Un grande vassoio per garantire una superficie dove il ghiaccio può sciogliersi senza causare danni
-Sale (potrebbe essere il più economico sul mercato)
-Coloranti vegetali e un contagocce o un cucchiaio per aggiungerli
Una volta ottenute le cupole di ghiaccio e posizionate sul vassoio, viene aggiunta una quantità relativamente piccola di sale alla loro superficie. Il semplice contatto del sale con il ghiaccio provocherà fiumi d'acqua che bagneranno il vassoio.
Questo perché il ghiaccio ha un'elevata affinità per il sale e si verifica una soluzione il cui punto di fusione è inferiore a quello del ghiaccio..
Si aggiungono poi alcune gocce di colorante alimentare alle cupole. Il colore penetrerà nei tunnel della cupola e in tutti i suoi pori, come prime conseguenze del suo scioglimento. Il risultato è un carnevale di colori intrappolati nel ghiaccio.
Infine, i coloranti verranno miscelati nell'acqua nella vaschetta, regalando un altro spettacolo visivo ai piccoli spettatori..
All'interno di un armadio a temperatura controllata, una serie di sostanze può essere collocata in contenitori resistenti al calore. Lo scopo di questo esperimento è mostrare agli adolescenti che ogni sostanza ha il proprio punto di fusione..
Quali sostanze possono essere scelte? Logicamente, né metalli né sali possono entrare nell'armadio, poiché fondono a temperature superiori a 500 ° C (l'armadio si fonderebbe).
Pertanto, dall'elenco delle sostanze, si potrebbero scegliere quelle che non superano i 100ºC, ad esempio: mercurio (supponendo che l'armadio possa essere raffreddato sotto i -40ºC), ghiaccio, cioccolato, paraffina e acido palmitico.
Gli adolescenti (e anche i bambini) guarderebbero il mercurio trasformarsi in un liquido nero metallico; e poi lo scioglimento del ghiaccio bianco, le barrette di cioccolato, l'acido palmitico e infine la candela di paraffina.
Per spiegare perché la paraffina si scioglie a temperature più elevate del cioccolato, sarà necessario analizzarne le strutture.
Se sia la paraffina che l'acido palmitico sono composti organici, il primo deve essere costituito da una molecola più pesante, o da una molecola più polare (o entrambe allo stesso tempo). Dare una spiegazione a tali osservazioni potrebbe essere lasciato come compito a casa per gli studenti..
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