La materia e i suoi stati

La materia è tutto ciò che ci circonda: ha massa e occupa uno spazio. Capire come si organizza nei tre stati fondamentali (solido, liquido, aeriforme) e come passa dall'uno all'altro è la chiave per leggere fenomeni che osserviamo ogni giorno, dalla pioggia che cade al ghiaccio che si scioglie nel bicchiere.

Che cos'è la materia

Quando parliamo di materia intendiamo qualunque cosa abbia una massa misurabile con la bilancia e che occupi un volume nello spazio circostante. Un libro appoggiato sul banco, l'acqua contenuta in una bottiglia, l'aria che riempie la stanza in cui ci troviamo sono tutti esempi concreti di materia, anche se a prima vista sembrano molto diversi. La fisica e la chimica studiano la materia sotto due aspetti complementari: le sue proprietà osservabili e la sua struttura interna fatta di particelle piccolissime. Una proprietà importante è la massa, che indica la quantità di materia di un corpo e che resta la stessa anche se ci spostiamo sulla Luna o in cima a una montagna. Il volume, invece, è lo spazio effettivamente occupato dal corpo e si misura in litri oppure in metri cubi a seconda delle dimensioni. La distinzione tra massa e volume è fondamentale perché due oggetti dello stesso peso, come un chilogrammo di piume e un chilogrammo di piombo, occupano spazi molto diversi.

Il modello particellare

Per spiegare il comportamento della materia gli scienziati hanno costruito un modello che la descrive come un insieme di particelle estremamente piccole, invisibili anche al microscopio ottico tradizionale. Queste particelle, che possiamo immaginare come minuscole sferette, non sono mai ferme: vibrano, si urtano, si muovono e tra loro esistono forze di attrazione di intensità variabile. Quando le forze sono molto intense le particelle restano vicine e ordinate, quando sono deboli si allontanano e si muovono liberamente nello spazio disponibile. Pensiamo al profumo che si diffonde in una stanza quando apriamo un flacone: in pochi minuti raggiunge anche gli angoli più lontani perché le sue particelle si muovono continuamente. Allo stesso modo, una bustina di tè immersa nell'acqua calda colora rapidamente il liquido, mentre nell'acqua fredda impiega molto più tempo, perché la temperatura influenza la velocità delle particelle. Questo modello, pur essendo una semplificazione, permette di spiegare in modo coerente tantissimi fenomeni quotidiani.

Lo stato solido

Nello stato solido le particelle sono molto vicine tra loro e disposte secondo schemi regolari, tenute in posizione da forze di attrazione molto forti che impediscono loro di spostarsi liberamente. Per questo motivo un corpo solido mantiene una forma propria e un volume proprio, indipendentemente dal recipiente che lo contiene: una matita resta una matita sia nell'astuccio sia sulla cattedra. Le particelle non sono però del tutto ferme, perché vibrano continuamente attorno a posizioni fisse, come se fossero collegate da molle invisibili. Esempi quotidiani sono il cubetto di ghiaccio nel freezer, che conserva la sua forma a spigoli vivi, oppure una moneta di metallo, che rimane perfettamente identica anche se la spostiamo da una tasca all'altra. I solidi si dividono in cristallini, quando le particelle sono ordinate in modo geometrico regolare come nel sale da cucina, e amorfi, quando l'ordine è meno rigido come nel vetro. La durezza, la fragilità e la temperatura di fusione sono proprietà che dipendono direttamente dal tipo di legame fra le particelle.

Lo stato liquido

Nello stato liquido le particelle sono ancora vicine tra loro, ma le forze di attrazione sono meno intense rispetto ai solidi e quindi possono scivolare le une accanto alle altre, cambiando continuamente posizione. Un liquido conserva il proprio volume ma non la propria forma: se versiamo mezzo litro d'acqua in un bicchiere alto e stretto o in una scodella larga e bassa, la quantità rimane la stessa ma l'aspetto cambia in modo evidente. Questa caratteristica permette ai liquidi di assumere la forma del recipiente che li contiene, scorrere lungo i tubi degli impianti idraulici e adattarsi a percorsi complicati. Il succo d'arancia versato in un tetrapak prende la forma squadrata del contenitore, mentre il latte nella tazza assume quella circolare del bordo. I liquidi sono inoltre praticamente incomprimibili, perché le particelle sono già molto vicine e non possono essere avvicinate ulteriormente con una pressione moderata. Questa proprietà è sfruttata nei sistemi frenanti delle automobili, dove un liquido trasmette la spinta dal pedale alle ruote in modo immediato ed efficace.

Lo stato aeriforme

Nello stato aeriforme, che comprende gas e vapori, le particelle sono molto distanti tra loro e le forze di attrazione sono trascurabili, tanto che ciascuna particella si muove in modo praticamente indipendente. Un aeriforme non ha né forma propria né volume proprio: occupa tutto lo spazio a disposizione e si espande fino a riempire l'intero recipiente che lo contiene. L'aria che respiriamo riempie completamente i nostri polmoni durante l'inspirazione e si distribuisce in modo uniforme in ogni stanza della casa. A differenza dei liquidi, gli aeriformi sono facilmente comprimibili, perché tra le particelle esistono ampi spazi vuoti che possono essere ridotti con una pressione esterna. Lo si nota gonfiando una camera d'aria con la pompa della bicicletta: la stessa quantità di gas viene compressa in un volume sempre più piccolo. I gas si miscelano facilmente tra loro, come accade nell'atmosfera dove azoto, ossigeno e altri gas convivono in modo omogeneo grazie al continuo movimento delle particelle.

I passaggi di stato

La materia non resta sempre nello stesso stato: cambiando la temperatura o la pressione può passare da una condizione all'altra attraverso fenomeni chiamati passaggi di stato. Riscaldando un solido le sue particelle vibrano sempre più intensamente finché rompono l'ordine iniziale e iniziano a scorrere: questo passaggio dallo stato solido a quello liquido si chiama fusione e avviene a una temperatura ben precisa, detta temperatura di fusione. Continuando a fornire calore, le particelle del liquido acquistano energia sufficiente per allontanarsi del tutto e diventare aeriforme: questo passaggio si chiama ebollizione, oppure evaporazione quando avviene solo in superficie e a temperature inferiori. I passaggi inversi richiedono invece la sottrazione di calore: la condensazione trasforma un aeriforme in liquido, come accade quando il vapore acqueo si deposita sulle pareti fredde di un bicchiere, mentre la solidificazione trasforma un liquido in solido, come l'acqua che diventa ghiaccio nel freezer. Esistono anche passaggi diretti tra solido e aeriforme: la sublimazione, tipica della naftalina che si consuma nei cassetti senza diventare liquida, e il brinamento, che forma la brina sui prati nelle notti fredde di inverno. Ecco i passaggi in ordine, da memorizzare:

Fusione: da solido a liquido.
Solidificazione: da liquido a solido.
Evaporazione ed ebollizione: da liquido ad aeriforme.
Condensazione: da aeriforme a liquido.
Sublimazione: da solido ad aeriforme.
Brinamento: da aeriforme a solido.

Calore, temperatura ed energia

Dietro ogni passaggio di stato c'è uno scambio di energia termica, comunemente chiamata calore, che modifica il movimento delle particelle senza necessariamente cambiare subito la temperatura. Durante la fusione del ghiaccio, ad esempio, la temperatura del miscuglio acqua-ghiaccio rimane costantemente a zero gradi Celsius finché tutto il ghiaccio non si è sciolto, anche se continuiamo a fornire calore con una fiamma. Questo calore, detto calore latente, serve a rompere i legami tra le particelle e non a far salire il termometro: lo si verifica facilmente immergendo un termometro in una pentola di acqua che bolle, dove la lancetta resta ferma a cento gradi nonostante il fornello sia acceso. Anche la pressione gioca un ruolo importante: in alta montagna l'acqua bolle a temperature più basse, intorno ai novanta gradi, perché la pressione atmosferica è ridotta e le particelle hanno meno resistenza a passare allo stato di vapore. Questo spiega perché in rifugio i tempi di cottura della pasta sono più lunghi del solito e perché le pentole a pressione, al contrario, cuociono più velocemente. Comprendere il legame fra calore, temperatura e stato della materia permette di interpretare correttamente molti fenomeni naturali e tecnologici.

Il ciclo dell'acqua come esempio completo

Un esempio bellissimo che riunisce tutti i concetti studiati è il ciclo dell'acqua nella natura, in cui la stessa sostanza attraversa continuamente i tre stati grazie all'energia fornita dal Sole. L'acqua dei mari, dei laghi e dei fiumi evapora costantemente trasformandosi in vapore acqueo invisibile che sale negli strati alti dell'atmosfera. Lì, incontrando temperature più basse, il vapore condensa formando le minuscole goccioline che vediamo come nuvole sospese nel cielo. Quando le goccioline diventano troppo pesanti cadono come pioggia oppure, se l'aria è molto fredda, solidificano in fiocchi di neve o in chicchi di grandine che ricoprono i prati. Una parte dell'acqua tornata al suolo si infiltra nel terreno alimentando le falde, un'altra parte scorre nei fiumi tornando al mare e ricomincia il ciclo. Lo stesso schema lo possiamo osservare in piccolo nella nostra cucina: il vapore che esce dalla pentola condensa sul coperchio freddo e ricade in gocce, riproducendo in scala domestica ciò che avviene su scala planetaria.

Ricorda

La materia possiede massa e occupa un volume, e si organizza in particelle in continuo movimento.
I tre stati fondamentali sono solido, liquido e aeriforme; ciascuno ha proprietà specifiche di forma, volume e comprimibilità.
I passaggi di stato avvengono per scambio di calore e prendono nomi diversi a seconda della direzione: fusione, solidificazione, evaporazione, condensazione, sublimazione, brinamento.
Durante un passaggio di stato la temperatura resta costante perché il calore serve a modificare i legami fra le particelle.
La pressione influenza la temperatura a cui avvengono i passaggi, come nei fenomeni che osserviamo in alta montagna.

Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: disegna tre riquadri affiancati che rappresentino lo stato solido, liquido e aeriforme. In ciascun riquadro disegna almeno otto pallini per simboleggiare le particelle, rispettando la disposizione tipica dello stato. Sotto ogni riquadro scrivi due frasi: la prima descrive la disposizione delle particelle, la seconda indica un oggetto della tua casa che si trova in quello stato. Infine, traccia frecce tra i tre riquadri e scrivi sopra ogni freccia il nome del passaggio di stato corrispondente, ricordandoti che alcune coppie di stati sono collegate da due frecce con nomi diversi.