Ghiaccio, acqua, vapore: tre forme diverse della stessa molecola ovvero dell'acqua H2O. Nonostante abbiano la stessa formula chimica e siano composte dagli stessi elementi, queste tre specie hanno strutture, forze intermolecolari e caratteristiche molto diverse. Sono ottimi esempi di diversi stati della materia.
- Questo articolo tratta gli stati della materia in chimica fisica.
- Inizieremo con la definizione degli stati della materia prima di esaminare i tre principali stati della materia: solido, liquido e gassoso.
- Analizzeremo anche i gas ideali e tratteremo alcuni aspetti del plasma.
- Successivamente, esploreremo i cambiamenti di stato della materia o passaggi di stato.
- Infine, esamineremo alcuni esempi di stato della materia.
Stati della materia - definizione
Gli stati della materia sono una delle forme fisiche distinte in cui la materia può esistere e presentarsi in natura.
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.
Si può anche sentire il termine "fase" quando si parla di stati della materia. Sebbene questi termini siano simili, hanno significati leggermente diversi. Una fase è definita come una regione chimicamente distinta e fisicamente uniforme di una specie. Ciò significa che ogni fase distinta ha la stessa struttura, densità, indice di rifrazione e magnetizzazione. Gli stati della materia sono tutti esempi di fasi, ma all'interno degli stati della materia si possono avere fasi diverse. Ad esempio, il ghiaccio solido presenta molte fasi diverse, differenziate da strutture cristalline uniche.
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.
Nell'articolo "Strutture reticolari" vengono analizzati diversi tipi di solidi. Qui potrete confrontare le strutture reticolari molecolari, covalenti, ioniche e metalliche e le loro proprietà.
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
Un gas ideale è un gas teorico che non presenta forze intermolecolari o interazioni tra le molecole. Si presume che le molecole siano particelle puntiformi con volume trascurabile e che interagiscano tramite urti perfettamente elastici, ovvero non disperdono energia cinetica.
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.
I gas che non si comportano come i gas ideali sono noti come gas reali. Abbiamo un articolo dedicato ai gas ideali e reali che vi aiuterà a confrontarli. Per saperne di più, consultate "Gas ideali e gas reali". E se volete cimentarvi in calcoli che coinvolgono la legge dei gas ideali, visitate "Legge dei gas ideali" per trovare numerosi esempi.
Il plasma - quarto stato della materia
Esiste un quarto stato della materia che è più comune di quanto si pensi. Infatti, lo ritroviamo in molti oggetti e fenomeni quotidiani. Questo stato è chiamato plasma.
Quando un gas viene stimolato elettricamente da una sorgente esterna, si trasforma in plasma. Il plasma può essere creato anche con il laser, le microonde o qualsiasi campo magnetico. Come i gas, le particelle del plasma sono disposte in modo casuale e molto distanti tra loro. Non hanno una forma o un volume fisso e si espandono per riempire il loro contenitore. Tuttavia, a differenza dei gas, il plasma è costituito da particelle cariche elettricamente. Quando si riscalda un gas a temperature sufficientemente elevate (o si esegue uno degli altri metodi per la creazione del plasma), si separano alcune delle particelle in elettroni con carica negativa e ioni con carica positiva. Questi elettroni sono chiamati elettroni liberi. Queste particelle cariche fanno sì che il plasma possa condurre elettricità. Se solo alcune delle particelle del plasma sono ionizzate, si dice che il plasma è parzialmente ionizzato. Se invece tutte le particelle sono ionizzate, il plasma si dice completamente ionizzato.
Figura 4. Disposizione delle particelle nel quarto stato della materia, il plasma.
Il plasma si trova nelle stelle, nelle luci al neon, nei televisori al plasma e nei fulmini.
Confrontare gli stati della materia
Per consolidare l'apprendimento, abbiamo creato una comoda tabella che mette a confronto i tre principali stati della materia:
| Stato della materia | Solido | Liquido | Gassoso |
| Diagramma | 
| 
| 
|
| Disposizione | Molto vicine | Vicine | Molto distanti |
| Energia | Bassa | Media | Alta |
| Forze intermolecolari | Forti | Deboli | Nessuna |
| Velocità e movimento | Moto vibrazionale attorno ad un punto | Casuale | Veloce e casuale |
| Forma | Fissa | Non fissa | Non fissa |
| Volume | Fisso | Fisso | Non fisso |
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.
Come puoi vedere nell'immagine sono indicati anche i passaggi di stato per il plasma. Il passaggio da un gas al plasma è noto come ionizzazione, mentre il ritorno dal plasma a un gas è noto come deionizzazione o ricombinazione.
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.
Stati della materia - Punti chiave
Gli stati della materia sono forme fisiche distinte in cui la materia può esistere.
I tre stati principali della materia sono solido, liquido e gassoso. Le particelle in questi stati hanno disposizioni, velocità e livelli energetici diversi, oltre ad altre proprietà.
- Le particelle di un solido sono tenute insieme molto strettamente in una posizione fissa. Hanno una bassa energia e vibrano sul posto.
- Le particelle di un liquido sono tenute strettamente insieme, ma sono in grado di muoversi. Hanno un'energia leggermente superiore a quella delle particelle di un solido.
- Le particelle di un gas sono molto distanti tra loro e si muovono rapidamente. Hanno un'energia molto elevata.
- Esiste un quarto stato della materia, noto come plasma. Il plasma è prodotto dalla ionizzazione di un gas e contiene quindi particelle cariche.
- Il cambiamento di stato della materia comporta il riscaldamento o il raffreddamento di una sostanza. Quando una sostanza cambia stato, la sua temperatura rimane invariata finché tutte le particelle non si trovano nel nuovo stato.
- Esempi di diversi stati della materia sono l'acqua, H2O. Come solido è noto come ghiaccio e come gas è noto come vapore.
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