Azoto solido? Sì, esiste

Ai tempi della scuola tutti noi abbiamo studiato che la materia esiste in natura in tre stati diversi: solido, liquido, aeriforme (gas o vapore). Con riferimento in particolare all’acqua, il composto chimico che conosciamo meglio di tutti, abbiamo imparato che si può passare dallo stato aeriforme a quello liquido o da quello liquido a quello solido rimuovendo calore, fino a raggiungere le temperature caratteristiche del passaggio di stato, e che si può seguire il percorso inverso aggiungendo calore. Quello che, tuttavia, a quel tempo non ci è mai stato detto è che non solo la temperatura, ma anche la pressione influisce pesantemente sullo stato della materia.

Per ogni composto esiste il cosiddetto diagramma di fase, che rappresenta la temperatura su un asse (tipicamente quello orizzontale) e la pressione sull’altro (tipicamente quello verticale). Da tale diagramma è possibile prevedere lo stato fisico di quel composto ad una determinata temperatura e ad una determinata pressione: uno strumento davvero molto potente.

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Immagine tratta dall’articolo A nitrogen triple-point thermal storage unit for cooling a SQUID magnetometer

L’azoto, il principale costituente dell’atmosfera terrestre (ca. 78%), a temperatura e a pressione ambiente è un gas. Nei laboratori si utilizza spesso l’azoto liquido, che a pressione ambiente esiste solo se raffreddato al di sotto dei -196°C; quando si apre un fiasco di azoto liquido, mettendolo in comunicazione con l’atmosfera dell’ambiente, sicuramente più calda di esso, una parte dell’azoto liquido diventa vapore ed il fiasco resta a -196°C fissi fintanto che l’evaporazione non è completata. Tipicamente il processo richiede diverso tempo, per cui si ha modo di maneggiare l’azoto liquido senza bisogno di adoperare particolari accorgimenti per fare molto in fretta.

Liquid Nitrogen_Solid Nitrogen_Snow_2

Cortesia di ChefSteps

Se un bicchiere viene riempito di azoto liquido e poi la pressione attorno ad esso viene abbassata, utilizzando un’apposita pompa a vuoto, ci si sposta verso il basso sul diagramma di fase. Vedendo il grafico, e sapendo che ci si trova a -196°C, abbassando la pressione ci si potrebbe aspettare di passare direttamente dalla fase liquida alla fase di vapore; in realtà ci si muove lungo la linea quasi rettilinea che separa le due fasi (da 77.35 K, 1 atm a 63.15 K, 12.5 kPa). La ragione è che, abbassandosi la pressione, l’atmosfera circostante “tiene a bada” con sempre minore efficacia le molecole che compongono l’azoto liquido che, venendo così contrastate sempre più debolmente, hanno più spazio per muoversi liberamente. Il risultato è che le molecole dotate della maggiore energia cinetica sfuggono dal bicchiere e quelle che rimangono hanno quindi, mediamente, un’energia cinetica inferiore. La temperatura di una sostanza è esattamente l’indice dell’energia cinetica media delle molecole che la compongono, per cui all’abbassamento della pressione corrisponde anche un abbassamento della temperatura – arrivando a 0.14 atm, da -196°C passiamo a -210°C!

Arrivati a queste condizioni, l’azoto si trova nel cosiddetto punto triplo; si tratta del punto in cui le tre fasi solida, liquida e aeriforme si trovano in equilibrio o, in altre parole, del punto in cui le tre fasi possono coesistere. In queste condizioni, una parte dell’azoto solidifica e appare visivamente molto simile alla neve e al ghiaccio d’acqua a cui siamo abituati. Sebbene l’azoto solido sembri qualcosa di molto artificioso ai nostri occhi, data la complessità del processo per ottenerlo, nello spazio non è impossibile trovarlo naturalmente: sul pianeta nano Plutone, per esempio, gran parte della superficie è ricoperta proprio da azoto in questo stato, considerata la temperatura estremamente bassa per via della distanza dal Sole e la pressione pressoché trascurabile esercitata da un’atmosfera incredibilmente rarefatta.

Pluto

Cortesia di NASA

Esistono quindi delle caratteristiche di composti comunissimi – nell’azoto siamo costantemente immersi! – che si scoprono solo andando a ricercare determinate condizioni. A bassissime temperatura e pressione si può perfino ottenere la “neve” dall’aria: mica male per un gas che abitualmente non vediamo e che nemmeno respiriamo, eh?

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