Sublimazione

La sublimazione è il cambiamento di fase che consente alle sostanze di passare dallo stato solido allo stato aeriforme. Tale transizione riguarda solamente la superficie dei solidi e, per un dato valore di pressione, non si manifesta a un'unica temperatura. Il passaggio inverso rispetto alla sublimazione è il brinamento.

 

Abbiamo quasi terminato la rassegna dei cambiamenti di fase: ci restano da studiare sublimazione e brinamento, vale a dire i passaggi di stato da solido a gassoso e viceversa. In questa lezione analizzeremo le cause fisiche e microscopiche e ci concentreremo sulle condizioni termodinamiche che determinano la sublimazione delle sostanze.

 

Ci soffermeremo infine su alcuni esempi e applicazioni della vita quotidiana che coinvolgono la sublimazione, inquadrandoli in un'ottica termodinamica. :)

 
 

Sublimazione: passaggio di stato da solido a gassoso

 

Uno dei passaggi di stato più curiosi è la sublimazione, che per definizione è il passaggio dallo stato solido a quello gassoso senza passare dalla fase liquida. Da un punto di vista fisico e chimico, un solido sublima quando alcune delle sue molecole se ne distaccano e si trasformano un gas. Il processo inverso (stato gassoso a stato solido) prende il nome di [[brinamento]].

 

Nonostante la sublimazione sia un cambiamento di fase estremamente ricorrente in natura, è più difficilmente osservabile rispetto alla fusione (il ghiaccio che si "scioglie") o all'evaporazione (il vapore che si solleva da una tazza di tè caldo)

 

Cause fisiche e microscopiche della sublimazione

 

Affinché la sublimazione possa avvenire è necessario che il solido assorba calore; si tratta dunque di un processo endotermico, in cui la sostanza considerata sottrae calore all'ambiente esterno. Il calore assorbito serve ad aumentare l'energia cinetica delle molecole del solido; se tale energia riesce a raggiungere un determinato valore, tale da permettere ad una molecola di rompere i legami che la vincolano alle molecole contigue nel reticolo cristallino, la molecola si allontana e passa allo stato aeriforme il gas.

 

Bisogna specificare però che la sublimazione riguarda solamente la superficie del solido, e che le molecole più interne non sono interessate dal fenomeno. Il calore infatti viene immediatamente assorbito dalle molecole superficiali, che ne trasmettono solo una frazione a quelle che si trovano all'interno del solido. Se i legami tra le molecole della superficie non sono particolarmente forti, è possibile che una molecola possa ottenere un'energia sufficiente per fuggire via, cosa che non avrà modo di fare una molecola che si trova in una zona più interna e lontana dalla superficie.

 

Da questa spiegazione si intravede una certa analogia tra la sublimazione e l'evaporazione dei liquidi, visto che anche quest'ultima vede coinvolte soltanto le molecole della superficie. C'è però una differenza: in un liquido l'evaporazione può diventare ebollizione nel momento in cui il fenomeno non interessa più soltanto la superficie, bensì l'intera massa del liquido. Il corrispondente dell'ebollizione per i solidi non esiste. Ciò è dovuto al fatto che, a causa della maggiore libertà di movimento che hanno le molecole di un liquido, il calore si distribuisce velocemente in tutto il volume del liquido, per cui anche le molecole lontane dalla sorgente di calore vengono in breve tempo coinvolte da quelle che sono invece più vicine. Nei solidi le molecole non godono di una tale libertà di movimento e il calore si concentra maggiormente sulla superficie, aumentando di molto l'energia dei costituenti superficiali.

 

Temperatura, pressione e calore latente di sublimazione

 

Per quanto riguarda l'analisi dei fenomeni di sublimazione da un punto di vista strettamente termodinamico, i solidi possono sublimare a seguito di un aumento di temperatura o di una diminuzione della pressione. In modo analogo rispetto al processo di evaporazione, però, se si fissa un determinato valore di pressione non esiste un preciso valore di temperatura di sublimazione. In altri termini, fissando un valore di pressione la sublimazione può avvenire a diversi valori di temperatura della sostanza. In particolare, i solidi sublimano quando entrano a contatto con corpi (solidi, liquidi o gassosi) a temperature superiori.

 

Il calore che viene assorbito dall'ambiente esterno da un solido in fase di sublimazione si calcola mediante la formula del calore latente. In questo contesto si parla più precisamente di calore latente di sublimazione (L_s), ed è per definizione la quantità di calore necessaria affinché 1 chilogrammo di sostanza possa sublimare completamente.

 

Al solito, il valore del calore latente di sublimazione dipende dalla temperatura e dalla pressione; poiché la sublimazione, a differenza di fusione ed ebollizione, non avviene a un preciso valore di temperatura se fissiamo un determinato valore di pressione, il valore del calore latente di sublimazione viene fornito di volta in volta negli esercizi e nelle applicazioni.

 

Esempi di sublimazione: distese di ghiaccio e ghiaccio secco

 

Il fenomeno della sublimazione si può osservare ad esempio nel ghiaccio. A temperature inferiori a 0 °C il ghiaccio non fonde e mantiene il proprio stato solido, ma può sublimare al punto che una distesa di ghiaccio o un manto di neve, formati da piccoli cristalli di ghiaccio solido, col tempo tendono a ridurre il proprio volume perché passano allo stato gassoso, anche se la temperatura non sale al di sopra di 0 °C.

 

Un'applicazione piuttosto ricorrente del fenomeno della sublimazione riguarda l'utilizzo del ghiaccio secco, che di fatto è anidride carbonica (detta anche biossido di carbonio) allo stato solido. Perchè si chiama ghiaccio secco? Perché non forma alcun liquido: sublimando, passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso senza passare dallo stato liquido.

 

Il ghiaccio secco si trova a una temperatura di -78 °C, motivo per il quale non bisogna mai toccarlo (c'è il rischio concreto di ustionarsi, un po' come accade quando si tocca un corpo troppo caldo). Proprio per via della sua temperatura, il ghiaccio secco viene impiegato nella conservazione e nel trasporto di prodotti alimentari congelati e, impiego sicuramente più affascinante, nella creazione di vapore simile a fumo in alcuni spettacoli.

 

Se infatti si mette del ghiaccio secco in un contenitore e vi si versa sopra dell'acqua liquida, anche a temperatura ambiente, il ghiaccio secco sublima molto velocemente producendo una grande quantità di anidride carbonica allo stato gassoso e a bassa temperatura, che si sposta verso il basso perché più pesante dell'aria. Questa, a sua volta, fa condensare il vapore acqueo presente nell'aria e crea una nube di vapore, secondo lo stesso processo per cui condensa il vapore acqueo che emettiamo espirando d'inverno, e che ci dà la sensazione che fuoriesca fumo dai polmoni.

 

Per intensificare il fenomeno, basta versare sul ghiaccio secco acqua bollente, ma attenzione a non esagererare con le quantità: l'anidride carbonica non è tossica ma scaccia l'ossigeno in alto e si corre il serio rischio di respirare un'eccessiva quantità di CO2, incorrendo in una potenziale asfissia.

 

 


 

Concludiamo con una curiosità. Con una certa analogia rispetto al significato fisico, nel linguaggio comune il termine sublimazione fa riferimento a una trasformazione (in meglio) di natura spirituale, morale, cognitiva o personale. Ad esempio, la sublimazione di una capacità di un individuo viene intesa come elevamento. Vale un discorso analogo in psicologia, dove la sublimazione (concetto introdotto da Sigmund Freud) si riferisce alla conversione di pulsioni grezze in interessi di carattere intellettuale e/o artistico. :)

 

Nella prossima lezione studieremo l'ultimo cambiamento di fase rimasto, nonché inverso della sublimazione: il brinamento. Se siete in cerca di esercizi svolti, altre lezioni o approfondimenti vari ed eventuali vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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