Fusione e solidificazione del tiosolfato di sodio

Se forniamo calore ad un solido, la sua temperatura aumenta.
Questo, almeno, finché non raggiungiamo la sua temperatura di fusione. A questo punto, la temperatura cessa di aumentare, perché il calore aggiunto, anziché aumentare l'agitazione delle molecole, va a rompere i legami deboli che tengono le molecole fisse nel reticolo cristallino. Una volta che tutta la sostanza è passata alla fase liquida, il calore ricomincia ad aumentare il grado di agitazione delle molecole e la temperatura ricomincia a salire.
Se, al contrario, sottraiamo calore ad un liquido, avviene il processo inverso, con una differenza. Nel momento in cui la temperatura si abbassa fino a raggiungere la temperatura di solidificazione, le molecole del liquido possono iniziare ad aggregarsi in un reticolo cristallino ordinato, ma per far questo hanno bisogno di un germe di cristallizzazione, cioè un cristallo, anche piccolissimo, attorno al quale legarsi e "costruire" il nuovo cristallo. Se questo germe non è presente, il liquido non solidifica, e quindi il calore sottratto continua a diminuire l'agitazione molecolare, e la temperatura scende anche al di sotto della temperatura di solidificazione. Quando però i cristalli iniziano a formarsi, questo processo esotermico rilascia calore alla sostanza, e la temperatura può risalire fino alla temperatura di solidificazione. Quando poi tutta la sostanza è solidificata, ricomincia il normale raffreddamento.

Durata: 1 ora

Scopo:

Illustrare l'andamento della temperatura durante la fusione e la solidificazione di una sostanza.

Materiale:

• Tiosolfato di sodio pentaidrato (Na₂S₂O₃ · 5H₂O)
  
• Acqua
  

Strumenti:

• Becher
  
• Provettone
  
• Termometro 0° - 100° C
  
• Sostegno con pinze per provettone e termometro
  
• Spatola
  
• Cronometro
  
• Piastra riscaldante (possibilmente con agitatore magnetico)
  

Procedimento:

1. Preparazione del bagnomaria:
   
   1. Mettere il becher pieno d'acqua sulla piastra riscaldante (con un'ancoretta magnetica dentro, se si usa l'agitazione magnetica)
      
   2. Riempire il provettone con tiosolfato di sodio pentaidrato, fino ad un'altezza di circa 3-4 cm almeno.
      
   3. Fissare il provettone al sostegno con una pinza, in modo che la parte con il tiosolfato sia immersa nell'acqua.
      
   4. Fissare il termometro allo stesso sostegno con una pinza, in modo che il bulbo sia immerso nel tiosolfato, senza toccare le pareti o il fondo del provettone.
      
2. Accendere la piastra riscaldante (e l'agitazione magnetica se presente), e tenere sotto controllo la temperatura.
   
3. Da quando la temperatura raggiunge 30° C, far partire il cronometro e segnare le temperature ogni 30''. Osservare quello che succede.
   
4. Arrivati a 55° C, spegnere la piastra riscaldante e togliere piastra e becher con acqua, in modo che il provettone si possa raffreddare all'aria.
   
5. Far ripartire il cronometro e registrare ogni 30'' la temperatura durante il raffreddamento. Osservare quello che succede.
   

Risultato:

Durante il riscaldamento, la temperatura sale più o meno uniformemente fino a 47,5 °C, punto di fusione del tiosolfato. A quel punto, per alcuni minuti la temperatura rimane costante, mentre il tiosolfato fonde. Dopodiché, la temperatura riprende a salire più o meno con la stessa velocità.
Il raffreddamento è più complicato, a causa della sopraffusione: il tiosolfato può rimanere allo stato liquido anche sotto il suo punto di solidificazione, a meno che non siano presenti semi di nucleazione (cristalli di tiosolfato attorno ai quali possa cristallizare). Quindi è possibile che la temperatura scenda al di sotto di 47,5° C, per poi stabilizzarsi e risalire durante la solidificazione, e infine scendere nuovamente.

Commenti

Conviene posizionare la punta del termometro verso il fondo del provettone, e non eccedere con la quantità di tiosolfato di sodio (quella necessaria a coprire poco più del bulbo del termometro) per evitare che parte del sale sia fuso e si riscaldi, mentre parte si debba ancora sciogliere.