Two become one, ovvero, esperimento domenicale di chimica fisica. La soluzione!

Eccoci giunti al momento della soluzione dell'esperimento proposto domenica scorsa.
Si chiedeva di miscelare uguali volumi di acqua e alcol etilico nelle stesse condizioni di pressione e di rilevare tutto ciò che accadeva (leggi il post relativo).
Anna e Mirko hanno provato a realizzare l'esperimento ed hanno proposto la soluzione: ci avranno preso? Dopo aver avuto problemi iniziali con... la modalità di misura della temperatura, Anna scrive di essere arrivata a queste conclusioni:

"ho riprodotto l'esperimento, con un mio compagno, Mirko Pizzaballa, in laboratorio di chimica a scuola, per avere strumenti più adatti. L'unica cosa che mi dispiace è che non ho potuto filmarlo...
Allora: in due becker ho messo rispettivamente acqua ed alcool etilico. La prima aveva un V=100ml, m=100g e t=20°C; l'alcool aveva V=100ml, m=77g e t=19°C (il termometro però non era elettrico). Una volta miscelati si otteneva un V=196ml , m=177g e t=27°C.
Ragionando abbiano dedotto che l'aumento di temperatura era dovuto ad un fattore principale: Nelle due soluzioni separate, tra le diverse molecole, c'erano dei legami relativamente deboli e le particelle possedevano quindi tanta energia, sia cinetica che potenziale.
Una volta miscelate non è venuta alcuna reazione chimica, ma il processo di diffusione si perché l'alcool è estremamente solubile in acqua. Durante questo processo si sono formate delle forze tra le molecole di diversa natura, più grandi di quelle che avevano prima i reagenti.

Quindi il sistema ha perso energia (potenziale per i legami, e cinetica per il moto delle particelle), sotto forma di calore, e si è stabilizzato.

La contrazione del volume dovrebbe essere una prova di questo fenomeno."

Analizziamo insieme questa risposta valutando masse, volumi e temperature (sapendo che il tutto avviene a pressione ambiente costante):

1) la somma delle masse delle due sostanze è corretta e rispetta la legge di Lavoisier (sacrosanta legge ponderale delle materia)

2) il volume della miscela (chimicamente eterogenea ma fisicamente omogenea) è minore rispetto ai due singoli volumi misurati prima della miscelazione. Si è perso qualcosa? No, o quasi.
Il volume diminuisce perché acqua ed alcool, quando vengono uniti, sono soggetti al fenomeno della contrazione del volume. Di fatto, all'atto della miscelazione Vtot = Fc (Vacqua + Valcool) dove Fc è un fattore di contrazione (compreso tra 0 e 1) che dà la misura di quanto diminuisca il volume totale.
Per approfondimenti e una possibile esercitazione di laboratorio, vedasi questo documento: MISURE DI DENSITÀ RELATIVE - SOLUZIONI ALCOL ETILICO ACQUA.
Inoltre "tale differenza in volume è data dal fatto che le due sostanze miscelate (acqua ed alcool puro) hanno un volume molecolare diverso: più grande quello dell'alcool e più piccolo quello dell'acqua. In tal modo la molecola dell'acqua s'interpone fra quelle dell'alcool utilizzando più facilmente l'intero spazio intermolecolare disponibile, oltre al fatto che nella miscelazione le due componenti (sempre acqua ed alcool) si sviluppa una variazione maggiore di calore, dando luogo ad una leggera evaporazione che contribuisce a diminuire il volume dei due liquidi miscelati."

2) la temperatura rilevata della miscela (soluzione vera e propria in questo caso) è maggiore di quella dei singoli componenti.
Di fatto, nel caso di soluti polari (in questo caso siccome siamo 50% e 50% acqua alcol, faccio fatica a trovare chi sia il soluto e chi sia il solvente, ma di certo sono entrambi polari), il fenomeno della dissoluzione avviene per attrazione reciproca tra le cariche opposte dei dipoli delle molecole di soluto e solvente.
"La solubilità di una determinata sostanza dipende dalla temperatura. Esistono infatti le soluzioni endotermiche e le soluzioni esotermiche. Le soluzioni endotermiche sono quelle in cui viene trasferita energia (sotto forma di calore) dall'ambiente verso il sistema, ovvero si verifica un assorbimento di calore. Pertanto, in questo caso, la solubilità aumenta proporzionalmente alla temperatura. Le soluzioni esotermiche, invece, sono quelle che cedono energia all'ambiente esterno. Pertanto, in questo secondo caso, la solubilità diminuisce con l'aumento della temperatura."
Nel nostro caso accade che acqua e alcool stanno così bene insieme che per tenerli uniti ci vuole meno energia che per tenerli separati, cioè i legami che si formano tra le loro molecole (che sono sempre legami idrogeno) sono più forti di quelli che tenevano unite le molecole delle singole sostanze. La miscelazione di acqua e alcool produce dunque dell'energia sotto forma di calore che viene emessa riscaldando il bicchiere e le mani.

Anna e Mirko ci avevano preso?
Direi di sì.
Bravi!

Buono studio
GAGiuliani

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FONTI:
MISURE DI DENSITÀ RELATIVE - SOLUZIONI ALCOL ETILICO ACQUA
Poli - Museo della grappa
L'Alcol Etilico
Wikipedia - Soluzioni