Stati della materia

Stati della materia - definizione

Nel 1742, l'astronomo svedese Anders Celsius inventò un metodo per misurare la temperatura. Notò che il punto di fusione dell'acqua era quasi del tutto indipendente dalla sua pressione e lo etichettò come 100 sulla sua nuova scala. D'altra parte, dimostrò che il punto di ebollizione dell'acqua dipendeva dalla sua pressione e indicò la temperatura di ebollizione al livello del mare come 0. Negli anni successivi, diversi scienziati invertirono il suo sistema fino ad arrivare alla scala che conosciamo oggi: la scala Celsius. Ora, 0 indica il punto di fusione dell'acqua, mentre 100 indica il suo punto di ebollizione al livello del mare, e le unità di misura sono chiamate gradi Celsius, °C. A differenza di altre scale di temperatura, come la scala Fahrenheit, la scala Celsius si basa su stati della materia definiti e misurabili.

Esistono tre stati principali della materia. Sono caratterizzati dalla struttura, dalla disposizione delle particelle, dalle forze intermolecolari e dall'energia relativa e possono essere rappresentati dal modello particellare, in cui le particelle sono rappresentate come sfere. I tre stati sono:

• Solido
• Liquido
• Gassoso o aeriforme

Li analizzeremo tutti, a partire dai solidi.

Stato solido della materia

Il primo stato della materia che esploreremo oggi è quello solido. Nei solidi, le particelle sono tenute insieme in maniera ordinata e stabile. Le forze intermolecolari tra le particelle sono molto forti e per questo motivo le particelle non possono muoversi liberamente, ma oscillano attorno ad un punto fisso con moto vibrazionale. Ciò significa che i solidi mantengono una certa forma e un certo volume, indipendentemente dal recipiente in cui si trovano. Le particelle hanno anche una bassa energia.

Figura 1. Disposizione delle particelle nello stato solido della materia.

Stato liquido della materia

Quando somministriamo calore ad un solido e l'energia cinetica delle particelle diventa più elevata della loro forza attrattiva, il solido si trasforma in liquido. Nei liquidi, le particelle sono disposte in modo casuale. Sono ancora strettamente tenute insieme dalle forze intermolecolari, ma in questo le particelle sono in grado di muoversi più liberamente. Ciò significa che i liquidi riescono ad assumere la forma del recipiente che li contiene. Tuttavia, hanno ancora un volume definito. Poiché abbiamo somministrato calore alle particelle, queste hanno energia più elevata rispetto a quella di un solido.

Figura 2. Disposizione delle particelle nello stato liquido della materia.

Stato gassoso della materia

Il terzo stato principale della materia è lo stato gassoso o aeriforme. Nei gas, le particelle sono disposte in modo casuale e sono molto distanti tra loro. Non ci sono (quasi del tutto) forze intermolecolari tra le particelle e questo significa che si muovono liberamente in tutte le direzioni ad alta velocità e hanno energia cinetica elevata. I gas tendono ad occupare tutto il volume del recipiente che li contiene e non hanno un volume fisso, ma possono essere compressi o espansi.

Figura 3. Disposizione delle particelle nello stato gassoso della materia.

Gas ideali

I gas ideali sono utili perché obbediscono a una certa legge che mette in relazione pressione (P), temperatura (T) e volume (V), dove PV = nRT. Qui, n rappresenta il numero di moli del gas e R rappresenta la costante universale dei gas, un valore pari a 8,134 J mol^-1 K^-1 . Questa legge è nota come legge dei gas ideali e significa che una mole di qualsiasi gas ideale occupa lo stesso volume alla stessa temperatura e pressione. Sebbene nessun gas sia perfettamente ideale, molti gas vi si avvicinano abbastanza da poter utilizzare questa legge nei calcoli chimici.

Confrontare gli stati della materia

Per consolidare l'apprendimento, abbiamo creato una comoda tabella che mette a confronto i tre principali stati della materia:

Tabella 1. Tabella che confronta i tre principali stati della materia.

Passaggi di stato

Ora che sappiamo quali sono i diversi stati della materia, esaminiamo i passaggi di stato. Come suggerisce il nome, si tratta del passaggio da uno stato della materia ad un altro.

Se si riscalda un solido, la sua temperatura aumenta. Tuttavia, a un certo punto, la sua temperatura smette di aumentare. Al contrario, il solido inizia a fondere. L'energia termica fornita viene utilizzata per aumentare l'energia cinetica delle particelle e superare le forze intermolecolari che le tengono unite. Questo punto è noto come punto di fusione della sostanza.

Quando tutta la sostanza si è sciolta, la sua temperatura aumenta di nuovo. Ma come in precedenza, a un certo punto raggiunge un plateau. La sostanza inizia a bollire. Ancora una volta, l'energia termica fornita viene utilizzata per aumentare ulteriormente l'energia cinetica delle particelle e superare le forze intermolecolari rimanenti tra di esse. Questo è il punto di ebollizione della sostanza. La temperatura rimane invariata fino a quando tutta la sostanza si trasforma in gas; solo allora aumenta di nuovo.

È vero anche il contrario. Se si prende un gas e lo si raffredda, alla fine si condensa in un liquido. Se si raffredda ulteriormente, si congela e diventa un solido. Alcuni solidi possono passare direttamente da stato solido a gassoso, saltando completamente lo stato liquido. Questo processo è noto come sublimazione. Il processo inverso, cioè il passaggio da un gas a un solido, è noto come deposizione.

Ecco un pratico diagramma che mostra i nomi dei passaggi da uno stato della materia all'altro:

Figura 5. Principali passaggi di stato.

Esempi di stati della materia

Per finire, esploriamo alcuni esempi comuni di stati della materia:

• Il tipico esempio di diversi stati della materia è l'acqua, H₂O. A pressione atmosferica, bolle a 100°C e congela a 0°C. L'acqua gassosa si chiama vapore e quella solida ghiaccio.
• Il ghiaccio secco, come è noto, è la forma solida dell'anidride carbonica, CO₂ .La CO₂ non è allo stato liquido, ma sublima direttamente da solido a gas.
• Gli unici due elementi della tavola periodica che sono liquidi a temperatura ambiente e a pressione atmosferica sono il bromo, Br, e il mercurio, Hg. Gli altri metalli sono solidi, mentre i non metalli sono una miscela di solidi e gas.
• La sabbia, la farina e il legno, che si trovano a temperatura ambiente e a pressione atmosferica, sono esempi di solidi. Latte, olio e sciroppo sono esempi di liquidi, mentre ossigeno, ammoniaca e cloro sono esempi di gas.