La materia è tutto ciò che ci circonda e che possiede massa e volume; essa si presenta in stati diversi che dipendono dalla disposizione e dal movimento delle particelle che la compongono.
Ogni volta che osserviamo il mondo intorno a noi, dai banchi dell'aula alle nuvole nel cielo, stiamo guardando della materia. Per i chimici e i fisici, materia è qualunque cosa abbia una massa misurabile e occupi uno spazio definito, chiamato volume. Anche l'aria, che sembra inafferrabile, è materia: basta gonfiare un palloncino per accorgersi che pesa e che spinge contro le pareti del suo contenitore. In questa lezione scopriremo come la stessa sostanza possa apparire in forme molto diverse e capiremo perché un cubetto di ghiaccio, un bicchiere d'acqua e una nuvola di vapore sono in realtà la stessa cosa.
Che cos'è la materia
La materia non è continua come sembra a occhio nudo, ma è formata da minuscole particelle che chiamiamo atomi o molecole, troppo piccole per essere viste senza strumenti potentissimi. Queste particelle sono in continuo movimento e interagiscono fra loro attraverso forze di attrazione, dette forze di coesione, che le tengono più o meno vicine. La grandezza di queste forze e l'energia delle particelle determinano l'aspetto finale del materiale che osserviamo. Pensa a un sacchetto di biglie: se sono incollate fra loro formano un blocco rigido, se sono libere di scorrere si comportano come un liquido, se vengono lanciate in aria si disperdono come un gas. Ogni corpo materiale possiede due grandezze fondamentali: la massa, che si misura in chilogrammi e indica la quantità di materia, e il volume, che si misura in metri cubi o litri e indica lo spazio occupato. Il rapporto tra queste due grandezze è la densità, una proprietà che distingue le sostanze e spiega perché un cubetto di ferro affonda nell'acqua mentre un tappo di sughero galleggia.
Lo stato solido
Nello stato solido le particelle sono molto vicine fra loro e ordinate secondo schemi precisi, spesso geometrici, che danno origine alla struttura cristallina tipica di minerali come il sale da cucina o il quarzo. Le forze di coesione sono talmente intense da impedire alle particelle di spostarsi liberamente: esse possono soltanto vibrare attorno a una posizione fissa, come se fossero legate da piccolissime molle. Per questo motivo un solido conserva sia una forma propria sia un volume proprio, indipendentemente dal recipiente in cui viene posto. Un libro appoggiato sul banco mantiene il suo aspetto rettangolare anche se lo sposti in una scatola più grande o in una più piccola. Esistono però anche solidi cosiddetti amorfi, come il vetro o la cera, in cui le particelle non sono disposte in modo perfettamente regolare ma restano comunque ben legate. La rigidità dei solidi è alla base della stabilità di edifici, ponti e mobili, ma anche della precisione con cui possiamo modellare oggetti come monete o utensili.
Lo stato liquido
Nei liquidi le particelle sono ancora molto vicine, ma le forze di coesione sono più deboli di quelle dei solidi, perciò esse possono scivolare le une sulle altre. Questa libertà di movimento spiega perché un liquido non possiede una forma propria, ma assume sempre quella del recipiente che lo contiene: l'acqua versata in un bicchiere prende la sagoma del bicchiere, mentre la stessa quantità in una pentola si distribuisce sul fondo come una pozza piatta. Tuttavia, il volume rimane costante, perché le particelle restano comunque a contatto e non si lasciano comprimere facilmente. Una caratteristica importante è la fluidità, cioè la capacità del liquido di scorrere; essa varia molto da una sostanza all'altra, come dimostra il confronto tra l'acqua, che cola velocemente, e il miele, che si muove con lentezza. Sulla superficie dei liquidi si manifesta inoltre la tensione superficiale, una sorta di pellicola elastica che permette ad alcuni insetti di camminare sull'acqua dello stagno. Anche il sangue, l'olio della cucina e la benzina sono liquidi, ciascuno con proprietà specifiche che ne determinano l'uso quotidiano.
Lo stato aeriforme
Nello stato aeriforme, che comprende gas e vapori, le particelle sono lontanissime fra loro e si muovono in tutte le direzioni con grande velocità, urtandosi continuamente. Le forze di coesione sono praticamente trascurabili, perciò un gas non possiede né forma né volume propri e tende a occupare tutto lo spazio disponibile nel contenitore. Quando apri una bottiglia di profumo in un angolo della stanza, dopo poco senti l'odore anche dall'altra parte: questo fenomeno si chiama diffusione e dipende proprio dall'agitazione caotica delle particelle. I gas sono inoltre facilmente comprimibili, perché c'è molto spazio vuoto fra le particelle che può essere ridotto applicando una forza, come accade quando spingi lo stantuffo di una siringa col foro tappato. L'aria che respiriamo è un miscuglio di gas, principalmente azoto e ossigeno, mentre l'anidride carbonica gorgoglia nelle bibite gassate. È importante distinguere i gas veri e propri, che restano aeriformi a temperatura ambiente, dai vapori, che invece derivano da sostanze normalmente liquide o solide.
I passaggi di stato
La materia non resta sempre nello stesso stato: fornendo o sottraendo calore, le particelle modificano la loro energia di movimento e la sostanza può passare da una condizione all'altra senza cambiare la propria natura chimica. I passaggi che avvengono fornendo calore sono la fusione, da solido a liquido, l'evaporazione o ebollizione, da liquido ad aeriforme, e la sublimazione, da solido direttamente ad aeriforme. I passaggi inversi, che avvengono sottraendo calore, sono la solidificazione, da liquido a solido, la condensazione, da aeriforme a liquido, e il brinamento, da aeriforme direttamente a solido. Un esempio quotidiano è il ciclo dell'acqua: il sole evapora l'acqua del mare, il vapore sale e si condensa formando le nuvole, da cui cade pioggia o neve. Anche la naftalina che si consuma negli armadi senza diventare liquida è un esempio di sublimazione, mentre la brina che si forma sui prati nelle notti fredde è un caso di brinamento. Durante un passaggio di stato la temperatura della sostanza pura resta costante finché tutta la materia non ha completato la trasformazione, anche se continuiamo a scaldarla o a raffreddarla.
Ricorda
- La materia è tutto ciò che ha massa e volume ed è formata da particelle in continuo movimento.
- Nello stato solido le particelle sono ordinate e vibrano: forma e volume propri.
- Nello stato liquido le particelle scorrono: volume proprio, ma forma del recipiente.
- Nello stato aeriforme le particelle si muovono libere: né forma né volume propri.
- I passaggi di stato avvengono per scambio di calore: fusione, solidificazione, evaporazione, condensazione, sublimazione, brinamento.
Piccolo esercizio di verifica: prendi il tuo quaderno e disegna tre riquadri affiancati intitolati Solido, Liquido, Aeriforme. In ciascuno disegna almeno otto pallini che rappresentino le particelle, rispettando la disposizione tipica di quello stato (ordinate e vicine, vicine ma disordinate, lontane e sparse). Sotto ogni riquadro scrivi due esempi di sostanze e una proprietà caratteristica. Infine, disegna delle frecce fra i tre riquadri e scrivi sopra ciascuna il nome corretto del passaggio di stato, indicando se richiede calore o se ne libera.