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

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

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.