Grande meraviglia ha suscitato un video dal titolo “Ghiaccio Caldo Istantaneo” apparso su Facebook, ma presente anche su Youtube e Metacafe (dove se ne trovano anche altri simili).
La meraviglia ha suscitato curiosità: “Come si spiega?” mi hanno chiesto i miei allievi.
Di solito una solidificazione avviene per raffreddamento, ma la sostanza utilizzata nel video solidifica senza raffreddamento, per semplice “magico” tocco!
La sostanza utilizzata è un sale organico (= contenente carbonio), la sua formula è
e si chiama acetato di sodio triidrato: ogni “molecola” del sale (CH3COONa) è legata a 3 molecole di acqua (H2O).
E’ una sostanza chimica come tante: non tossica (viene usato anche come additivo alimentare) e molto utile per vari scopi.
Viene usata, tra l’altro, per riempire i cuscinetti riscaldanti. Potete vederli qui.
Mentre si forma il solido si sviluppa calore; possono essere inseriti, per esempio, nei guanti per difendersi dal freddo intenso.
Cosa accade?
Come fa a solidificarsi in quel modo?
Perchè viene emanato calore?
Per trovare una spiegazione occorre – come spesso avviene nel caso dei fenomeni fisici e chimici – scendere a livello particellare.
Le particelle che costituiscono l’acetato di sodio sono ioni acetato (CH3COO–), ioni sodio (Na+) e molecole di acqua (H2O).
——————————————- – ——————————————————— ———————————————————- – Ci sono 3 molecole d’acqua di cristallizzazione (per questo viene detto triidrato) per ogni coppia di ioni CH3COO–Na+.
Nei manuali che raccolgono le caratteristiche delle sostanze chimiche (ma anche su wikipedia) leggiamo che l’acetato di sodio è solido a temperatura ambiente ed ha una temperatura di fusione di 54°C. La cosa sorprendente in quello che abbiamo visto a proposito dei cuscinetti riscaldanti è allora non che l’acetato di sodio solidifichi, ma pittosto che prima fosse liquido a temperatura ambiente!
Come si spiega l’esistenza di un liquido a temperatura inferiore alla temperatura di solidificazione?
E’ un caso poco frequente, ma non raro di sovraraffreddamento. Che significa? Ogni sostanza solida riscaldata ad una certa temperatura fonde (temperatura di fusione); il liquido ottenuto, se raffreddato, solidifica (temperatura di solidificazione).
La temperatura di fusione e la temperatura di solidificazione coincidono, ma può accadere che il liquido sia portato ad una temperatura più bassa di quella di solidificazione e – per qualche motivo – non solidifichi (per esempio, se si mette dell’acqua distillata in un bicchiere molto pulito, è possibile che l’acqua non solidifichi anche se portata a temperature inferiori allo zero). In questo caso il liquido viene detto sovraraffreddato.
E’ però uno stato instabile, ed il liquido appena può solidifica. Nel nostro caso l’acetato di sodio non solidifica perchè è molto difficile che i due ioni e le tre molecole si dispongano nella corretta posizione che la struttura molto ordinata delle sostanze solide prevede. Però basta la piegatura di un dischetto di metallo o il tocco di un dito, per provocare la formazione di qualche piccolo cristallo, e questo fa sì che tutte le particelle (ioni acetato e sodio, molecole di acqua) si sistemino ordinatamente, avvenga la cristallizzazione e si formi il solido bianco. Bianco come il ghiaccio, ma non è ghiaccio!
Un altro esempio di stato instabile è quello di un bicchiere di bevanda gassata: appena si sparge qualche granello di un solido (sale, per es.) subito il gas che era disciolto si separa dal liquido dando luogo alla formazione di bollicine di gas.
E lo sviluppo di calore?
Se si trattasse di un passaggio di stato (da liquido a solido), parleremmo di calore latente di solidificazione (che è il calore che si libera durante una solificazione, ed è uguale al calore assorbito durante la fusione). Ma in questo caso piuttosto che di passaggio di stato c’è da parlare di reazione chimica perchè non c’è all’inizio e alla fine la stessa sostanza allo stato liquido e allo stato solido, ma c’è prima una soluzione (quindi un miscuglio di due sostanze: acetato di sodio e acqua) e alla fine un’unica sostanza (acetato di sodio triidrato).
cristallizzazione
Si tratta quindi non di un passaggio di stato, ma di una reazione chimica vera e propria, che libera calore (reazione esotermica).
Il solido che si è formato può essere riscaldato per ottenere nuovamente il liquido (la soluzione di acetato di sodio in acqua). Questa soluzione può trasformarsi nuovamente in solido cedendo tutto il calore che aveva assorbito prima.
Si tratta quindi di una reazione reversibile: si può passare da uno stato all’altro e viceversa, semplicemente cambiando le condizioni (in questo caso la temperatura).
cristallizzazione –>
<– solubilizzazione
Links utili:
Complimenti. Bravi. Specialmente qui: Si tratta quindi non di un passaggio di stato, ma di una reazione chimica vera e propria, che libera calore (reazione esotermica).
Firmato: Franco Giampaoli=un chimico vecchio di laurea!
Grazie! 🙂