Conoscere il punto di fusione di una sostanza è una delle esigenze quando si opera in laboratorio.
Il punto di fusione è la condizione di temperatura e pressione in cui una sostanza è in equilibrio tra stato solido e stato liquido. Questa condizione è chiamata anche equilibrio termodinamico.
Visto che la pressione considerata è quella atmosferica ed è costante, il valore da considerare rimane quello della temperatura.
Quando una sostanza fonde, assorbe una certa quantità di calore. Questo calore allenta, fino a rompere, i legami tra le molecole. Il materiale, una volta liquefatto, continua ad aumentare di calore.
In realtà però, la maggior parte dei materiali come il vetro, non hanno un punto di liquefazione esatto. Cominciano a liquefarsi ad una certa temperatura e progressivamente diventano sempre più molli fino alla liquefazione totale.
Soltanto i solidi cristallini hanno questa caratteristica.
Come determinare il punto di fusione
Per la definizione delle temperatura di fusione di un certo materiale bisogna utilizzare un apparecchio apposito.
Nei laboratori chimici per calcolare la temperatura del punto di fusione di una sostanza si riscalda un campione e si rileva la temperatura a cui si osserva la fusione.
Si inserisce il campione in un tubo capillare in modo da riempire il tubo per 5 mm. Il tubo viene scaldato fino al raggiungimento della temperatura. La temperatura deve essere osservata empiricamente dall’operatore.
La temperatura può essere rilevata automaticamente quando la sostanza fusa è trasparente, quando cioè la trasmittanza supera il 90% come valore stabilito convenzionalmente.
Strumenti sofisticati e manuali
Oggi esistono strumenti molto sofisticati per determinare in modo preciso il punto di fusione in modo automatico.
Con la possibilità di lavorare su due campioni è possibile effettuare comparazioni e valori medi tra i due.
Esistono comunque ancora strumenti in vetro per il calcolo manuale del punto di fusione, per tutti coloro che si fidano della loro esperienza più che della tecnologia.
A questo punto potremmo affrontare il tma della determinazione del punto di fusione da un punto di vista didattico.
Laboratorio di chimica: il punto di fusione
In ogni laboratorio di chimica il punto di fusione è uno dei concetti operativi più importanti. In particolare, mediante la temperatura di fusione è possibile identificare con assoluta certezza le sostanze e determinarne, successivamente, la purezza. Quasi tutte le sostanze solide, nel momento in cui vengono riscaldate, fondono.
Questo significa che, dallo stato solido arrivano a quello liquido.
Fusione di sostanze pure
Solo per una sostanza pura, però, è possibile effettuare la determinazione del relativo punto di fusione.
Sempre in riferimento alle sostanze pure, si può definire come temperatura di fusione quella temperatura in cui la sostanza stessa si trova sia allo stato solido che a quello liquido con una pressione di 101,325 KPa.
Per definire una sostanza come "pura" occorre che l'intervallo di fusione sia compreso tra 0,5 e 1°C, ricordando che per intervallo di fusione si intende la differenza tra la temperatura in cui la sostanza inizia a fondere e quella in cui, allo stato pratico, è del tutto fusa. Più aumenta l'intervallo di fusione più si abbassa la temperatura di fusione e significa che, in questo caso, ci si trova davanti ad una sostanza impura.
Apparecchi per la determinazione del punto di fusione
In laboratorio non esiste un solo apparecchio per la determinazione del punto di fusione. È infatti possibile avvalersi dell'aiuto di due differenti tipologie di apparecchiatura.
- strumento analogico o Tubo di Thiele
- strumento digitale
Il tubo di Thele
Il primo è di tipo analogico ed è noto come Tubo di Thiele, dal nome del chimico tedesco che lo inventò. Si tratta di uno strumento relativamente semplice che si contraddistingue per un riscaldamento indiretto effettuato manualmente con bunsen e un termometro anch'esso analogico. Il Tubo di Thiele è formato da una provetta con canale laterale a V in cui è contenuto dell'olio. Utilizzando una fiamma manuale si riscalda questo canale laterale. L'olio si riscalda molto uniformemente grazie alla particolare forma del Tubo di Thiele. A questo punto, per determinare il punto di fusione, si lega un capillare al termometro e lo si immerge nell'olio. In questo modo la sostanza si scalda in modo progressivo ed è possibile determinarne il punto di fusione preciso.
Strumenti digitali
Esistono, poi, degli strumenti di tipo digitale, molto più moderni e con un livello di incertezza molto più basso. Si tratta di apparecchiature che si avvalgono di un riscaldamento elettrico e che sono dotate di display LCD che fungono da strumenti di misurazione.
Composti noti e composti incogniti
Determinazione del punto di fusione di un composto noto
Come si determina il punto di fusione di un composto noto utilizzando il Tubo di Thiele? Occorre iniziare regolando la fiamma del bunsen a medie altezze collocandola poi sotto la sezione a V del Tubo di Thiele. Trattandosi di un composto noto se ne conosce la temperatura di fusione per cui è necessario scaldare l'olio contenente nello strumento ad una temperatura di circa 10-20 gradi inferiore al valore noto.
Si può continuare abbassando l'intensità della fiamma e osservando quelle che sono la temperatura di fusione iniziale e quella finale (composto del tutto fuso). Si può dunque procedere con lo spegnimento della fiamma e l'immersione del Tubo di Thiele in acqua e ghiaccio avendo cura di non far penetrare alcun liquido al suo interno. Si possono dunque estrarre il termometro e il capillare passando ad una seconda misurazione e, se necessario, anche ad una terza rilevazione che confermi i dati raccolti fino a questo momento.
Determinazione del punto di fusione di un composto incognito
Un composto è incognito è quandonon se ne conosce il nome. Per determinarne il punto di fusione, indipendentemente dallo strumento utilizzato, occorre iniziare riscaldando la sostanza solida in maniera veloce fino a fonderla del tutto. Si avrà un'idea sommaria del punto di fusione iniziale da cui si potrà partire per determinare il punto di fusione come se fosse un composto noto, effettuando diverse misurazioni. È sempre consigliabile effettuarne almeno due.
