La materia e i suoi stati

La materia è tutto ciò che ci circonda, occupa uno spazio e ha una massa: si presenta in tre stati principali (solido, liquido, aeriforme) che possono trasformarsi l'uno nell'altro grazie a variazioni di temperatura.

Che cos'è la materia

La materia è qualunque cosa abbia una massa e occupi un volume nello spazio, dal sasso che raccogli al parco fino all'aria che respiri senza vederla. Anche se i nostri occhi non sempre riescono a percepirla, ogni oggetto del mondo fisico, vivente o non vivente, è fatto di materia. Una caratteristica comune a tutti i corpi materiali è quella di essere costituiti da particelle piccolissime, chiamate molecole, troppo minuscole per essere viste senza strumenti speciali. Queste molecole non stanno mai del tutto ferme: vibrano, si muovono e si urtano continuamente, e il modo in cui si comportano determina lo stato della materia. Per esempio, un cubetto di ghiaccio appoggiato sul tavolo sembra immobile, ma al suo interno le molecole vibrano costantemente. Allo stesso modo, il profumo di una torta appena sfornata raggiunge il naso perché le molecole odorose, leggerissime, si spostano velocemente nell'aria della cucina.

Le tre proprietà fondamentali: forma e volume

Per riconoscere lo stato in cui si trova la materia, gli scienziati osservano due proprietà importantissime: la forma e il volume. La forma è l'aspetto esterno che un oggetto assume, mentre il volume è lo spazio che quell'oggetto occupa effettivamente. Alcuni corpi mantengono sempre la stessa forma anche se cambiamo il recipiente che li contiene, mentre altri si adattano alle pareti del contenitore senza opporre resistenza. Questa differenza dipende da quanto le molecole sono libere di muoversi le une rispetto alle altre. Se prendi una gomma da cancellare e la metti in una scatola, la gomma rimane esattamente come prima, con la sua forma originale e il suo volume. Se invece versi del succo di frutta in un bicchiere alto e stretto e poi lo travasi in una ciotola larga, il succo cambia forma ma la quantità di liquido resta la stessa.

Lo stato solido

Nei corpi solidi le molecole sono molto vicine tra loro e legate da forze intense, perciò vibrano sul posto senza potersi spostare liberamente. Per questo motivo i solidi hanno una forma propria e un volume proprio, che non dipendono dal recipiente in cui vengono messi. Sono rigidi, oppongono resistenza alla pressione e, se vengono spezzati, si dividono in pezzi che mantengono comunque uno stato solido. Alcuni solidi sono molto duri, come una pietra o un chiodo di ferro, mentre altri sono più morbidi e flessibili, come una spugna o un pezzo di plastilina, ma in tutti i casi conservano una struttura definita. Pensa a un libro chiuso appoggiato sullo zaino: ha la sua forma rettangolare ben precisa e occupa sempre lo stesso spazio, qualunque sia il posto in cui lo lasci. Anche un cucchiaino di zucchero, pur essendo formato da tanti piccoli granelli, è composto da minuscoli cristalli solidi che mantengono ciascuno una forma stabile.

Lo stato liquido

Nei liquidi le molecole sono ancora vicine, ma i legami che le tengono unite sono più deboli rispetto ai solidi, e quindi possono scivolare le une sulle altre. Questa libertà di movimento fa sì che i liquidi non abbiano una forma propria, perché assumono la forma del recipiente che li contiene, ma conservano un volume proprio. I liquidi sono fluidi, scorrono verso il basso seguendo la forza di gravità e formano sempre una superficie superiore orizzontale quando sono in quiete. Una proprietà interessante è l'incomprimibilità: anche premendo con forza su un liquido chiuso, non si riesce a ridurne il volume in modo apprezzabile. Quando versi l'olio dalla bottiglia nella padella, il liquido si distribuisce sul fondo seguendone la forma circolare, ma se lo rimettessi nella bottiglia il volume sarebbe identico. Allo stesso modo, l'acqua di un acquazzone scorre nelle grondaie e si raccoglie nelle pozzanghere adattandosi a qualsiasi cavità del terreno.

Lo stato aeriforme

Nei gas, chiamati anche aeriformi, le molecole sono molto distanti tra loro e si muovono velocemente in tutte le direzioni, scontrandosi con le pareti del contenitore. Per questo motivo i gas non hanno né forma propria né volume proprio: occupano tutto lo spazio a disposizione, espandendosi fino a riempire qualsiasi recipiente, anche grandissimo. A differenza dei liquidi, i gas sono comprimibili, cioè possono essere schiacciati in volumi più piccoli, come accade dentro una pompa per gonfiare la bicicletta. I gas sono spesso invisibili e privi di odore, ma in alcuni casi possiamo accorgerci della loro presenza grazie al colore o al profumo, come nel caso del fumo o del vapore. Quando apri una bottiglia di acqua frizzante, le bollicine di anidride carbonica salgono in superficie e si disperdono nell'aria della stanza. Un palloncino gonfiato dimostra invece che il gas, pur essendo leggero, occupa volume e spinge sulle pareti del palloncino stesso, mantenendolo teso.

I passaggi di stato

La materia può passare da uno stato all'altro grazie a variazioni di temperatura: queste trasformazioni si chiamano passaggi di stato e sono fenomeni fisici, perché la sostanza non cambia natura, ma solo aspetto. I passaggi principali sono sei e hanno nomi specifici che è importante conoscere:

fusione: passaggio da solido a liquido per riscaldamento, come la cera di una candela accesa che cola.
solidificazione: passaggio da liquido a solido per raffreddamento, come la marmellata che si rapprende in barattolo dopo la cottura.
vaporizzazione: passaggio da liquido ad aeriforme, che può avvenire come evaporazione lenta in superficie o come ebollizione rapida in tutto il liquido.
condensazione: passaggio da aeriforme a liquido, come le goccioline che si formano sul coperchio della pentola.
sublimazione: passaggio diretto da solido ad aeriforme, come nel caso della naftalina che svanisce lentamente.
brinamento: passaggio diretto da aeriforme a solido, come la brina che si deposita sui prati nelle notti invernali.

Durante questi passaggi, mentre lo stato cambia, la temperatura del corpo resta costante: tutto il calore fornito viene usato per modificare la disposizione delle molecole.

Curiosità sulla materia e l'acqua

L'acqua è una delle poche sostanze che possiamo osservare facilmente nei tre stati durante una sola giornata: ghiaccio nel freezer, acqua liquida dal rubinetto e vapore acqueo sopra una pentola che bolle. Questa caratteristica la rende un esempio perfetto per studiare i passaggi di stato e ha un ruolo fondamentale nel ciclo dell'acqua in natura, fra mari, nuvole e pioggia. Una particolarità sorprendente è che, diversamente dalla maggior parte delle sostanze, l'acqua diventa meno densa quando si solidifica: per questo il ghiaccio galleggia sull'acqua liquida invece di affondare. Questo fenomeno è importantissimo per la sopravvivenza dei pesci durante l'inverno, perché lo strato di ghiaccio in superficie protegge l'acqua sottostante dal gelarsi completamente. Inoltre, esiste anche un quarto stato della materia chiamato plasma, presente nelle stelle e nei fulmini, ma è raro sulla Terra e si studia nelle classi più avanzate.

Ricorda

La materia è tutto ciò che ha una massa e occupa un volume; è formata da molecole in continuo movimento.
I solidi hanno forma e volume propri, perché le molecole sono vicine e poco mobili.
I liquidi hanno volume proprio ma assumono la forma del recipiente, perché le molecole scorrono.
Gli aeriformi non hanno né forma né volume propri, perché le molecole si muovono velocemente e si disperdono.
I sei passaggi di stato sono: fusione, solidificazione, vaporizzazione, condensazione, sublimazione, brinamento.
Durante i passaggi di stato la temperatura non cambia: il calore serve a riorganizzare le molecole.

Esercizio di verifica: sul tuo quaderno, disegna tre riquadri con i titoli SOLIDO, LIQUIDO, AERIFORME. In ciascun riquadro rappresenta con dei pallini la disposizione delle molecole secondo quello che hai studiato, poi scrivi accanto a ogni riquadro un oggetto della tua cameretta che si trovi in quello stato e indica per ciascuno se ha forma propria e volume proprio.