La costituzione della materia: composizione, struttura, stati di aggregazione e proprietà

Con il termine materia si indica comunemente tutto ciò che è dotato di una massa e che occupa uno spazio o, ancor più in generale, quanto risulti visibile e percepibile con i nostri sensi.   

Per introdurre gli stati di aggregazione della materia è importante come prima cosa ricordare che gli atomi, le più piccole parti costituenti la materia, possono legarsi tra loro a formare le molecole e come dalla loro unione derivi la formazione degli aggregati macroscopici che costituiscono la materia. 

Una porzione di materia su cui sia possibile effettuare delle osservazioni macroscopiche viene definita sistema termodinamico. Le leggi della termodinamica sono fondamentali per lo studio e la comprensione dei fenomeni chimico-fisici, e nascono proprio dalle variazioni del contenuto di energia che conseguono al passaggio di un sistema termodinamico da uno stato ad un altro.  

La termodinamica è in grado di prevedere se ad esempio determinate reazioni possono avvenire spontaneamente o no in determinate condizioni sperimentali e a prescindere dalla conoscenza della struttura di base della materia che compone il sistema in studio. 

A seconda della loro capacità di scambiare energia e/o materia con l’esterno, i sistemi possono essere divisi in tre tipologie: 

• Isolati, se non scambiano né materia né energia con l’esterno;
• Chiusi, se scambiano energia con l’esterno (ma non materia);
• Aperti, se possono scambiare sia energia che materia con l’esterno.

Le diverse parti che costituiscono un sistema vengono definite fasi e ogni fase è una parte di materia ben distinguibile dalle altre e con caratteristiche costanti.  

È bene precisare a questo punto che in un unico sistema possono essere presenti fasi che appartengono ai tre possibili stati di aggregazione della materia, ovvero gassoso, liquido e solido. 

Le particelle di gas sono in grado di ruotare, vibrare e muoversi liberamente e casualmente in tutte le direzioni poiché le interazioni tra esse sono molto deboli. Le principali caratteristiche dei gas possono essere ricondotte ai seguenti punti principali:   

Il volume dei gas coincide con quello del recipiente che li contiene e dipende dalla pressione e dalla temperatura (mancanza di un volume proprio e costante)  

Le particelle che costituiscono i gas sono libere di muoversi in tutte le direzioni  

Le particelle che costituiscono i gas sono generalmente molto distanti tra loro e di dimensioni molto piccole (volume trascurabile rispetto a quello che occupano)  

I gas sono caratterizzati da una densità molto bassa  

L’aumento di temperatura determina un aumento nel disordine dello stato gassoso. Di conseguenza, aumenta anche l’energia cinetica delle particelle che tendono ad occupare tutto lo spazio a disposizione e a diffondere.  

I liquidi sono dotati di un volume proprio ma assumono, come i gas, la forma del recipiente che li contiene (non presentano quindi una forma propria). Le forze intermolecolari che si hanno tra le particelle di un liquido, sono intermedie tra quelle dei gas e quelle che caratterizzano i solidi (interazioni forti e in grado di mantenere le particelle in determinate posizioni). 

Come le forze intermolecolari, anche il volume libero dei liquidi assume valori intermedi rispetto a quello di solidi e gas. Il volume libero, grandezza che può essere associata a tutti e tre gli stati di aggregazione, indica il volume non occupato dalle particelle: per i liquidi è stimato intorno al 3% dell’intero volume, per i gas raggiunge valori molto più alti.

Ricordiamo inoltre che: 

• Ad una stessa temperatura, la densità di un liquido è intermedia tra quelle osservate per una sostanza gassosa e una solida (discorso simile per compressibilità, viscosità e diffusione)
• Come nel caso dei solidi, la superficie dei liquidi ha caratteristiche diverse rispetto a quelle interne alla loro massa. Sulla superficie, le forze che agiscono sulle particelle non sono bilanciate: la risultante delle forze residue dà origine alla tensione superficiale, specifica per ogni liquido (e per ogni solido).

Per quanto lievi, le variazioni di volume dei liquidi che si hanno in funzione della temperatura possono essere sfruttate per la misura della temperatura. A tal scopo può essere utilizzato ad esempio il mercurio, liquido che si dilata in modo omogeneo in ampi intervalli di temperatura.

Contrariamente ai due stati descritti nei paragrafi precedenti, i solidi presentano una forma definita. Nei solidi, dotati anche di un volume proprio, le interazioni sono forti e in grado di mantenere le particelle in determinate posizioni (molto vicine tra loro). I solidi hanno inoltre una densità maggiore rispetto a quella dei gas, sono incompressibili e, inoltre, non tendono a diffondere. Per i solidi, la variazione di volume in funzione della temperatura è di entità lieve.

L’energia cinetica associata alle particelle che costituiscono i solidi è solo di tipo vibrazionale. I solidi sono inoltre caratterizzati da un fenomeno, noto come adsorbimento, che comporta la concentrazione di una specie chimica in prossimità della superficie. Altri due fenomeni legati alla natura e all’intensità delle interazioni sulla superficie sono quelli per cui alcune particelle possono passare dallo solido a quello aeriforme. 

I solidi cristallini sono caratterizzati da strutture ordinate, tutti gli altri sono definiti amorfi. I solidi cristallini hanno una temperatura di fusione definita che corrisponde alla temperatura alla quale inizia il passaggio di stato solido – liquido sotto una pressione esterna costante. Per le sostanze pure il processo di fusione si completa in poco tempo; i solidi amorfi invece non hanno un punto di fusione netto ma fondono di solito in un ampio intervallo di temperatura. 

Come abbiamo visto, gli stati di aggregazione della materia sono determinati dal tipo di forze che ci sono tra le particelle che costituiscono la sostanza in esame. Tali forze possono essere modificate sottraendo o fornendo energia sotto forma di calore ed è in questo modo che si fa avvenire un cambiamento o passaggio di stato.  

Molti corpi possono presentarsi in ciascuno dei tre stati descritti, a seconda delle condizioni di temperatura e pressione considerati. Nel caso di cambiamenti di stato fatti avvenire in recipienti chiusi in presenza della sola specie in esame, i dati sperimentali a riguardo vengono riassunti in quelli che sono noti come diagrammi di stato, caratteristici di ciascuna sostanza. 

Si tratta in pratica di diagrammi in cui vengono riportate le curve di equilibrio tra gli stati di aggregazione di un determinato sistema. Tali curve vengono costruite fornendo gradualmente al sistema piccole quantità di calore, aspettando che si arrivi all’equilibrio e registrando man mano i valori di pressione e temperatura.

La solidificazione rappresenta il passaggio dallo stato liquido a quello solido e avviene ad una determinata pressione, a temperatura costante. Raffreddando l’acqua, a 0 °C si trasforma in ghiaccio e la temperatura si mantiene costante anche se continuiamo a sottrarre calore fino a quando tutta è passata allo stato solido. Il calore latente di solidificazione indica la quantità di calore che viene ceduta da una quantità fissa di liquido nel corso della solidificazione.

La fusione indica il passaggio inverso rispetto alla solidificazione, quello cioè da solido a liquido. La temperatura di fusione si mantiene costante fino a quando tutto il solido è passato allo stato liquido. Il calore latente di fusione è il calore assorbito da una quantità fissa di solido durante il processo di fusione.

L’evaporazione è il passaggio di stato da liquido ad aeriforme. Interessa la superficie del liquido e la velocità con cui avviene dipende dalla temperatura, dalla superficie interessata e dalla presenza di correnti d’aria. La quantità di calore da somministrare per portare in fase gassosa una mole di liquido o di solido dipende invece solo dalla temperatura.

Un liquido puro in un contenitore aperto, mantenuto ad una certa temperatura, dopo un certo tempo evaporerà. Se il recipiente è chiuso, si stabilirà invece un equilibrio dinamico: il numero di particelle che evapora nell’unità di tempo, sarà uguale a quello che dallo stato di vapore passa a quello liquido (condensazione). Le velocità di evaporazione e quella di condensazione sono cioè uguali. 

Tensione o pressione di vapore 

La tensione o pressione di vapore del liquido indica la pressione dovuta alle molecole di vapore sul liquido stesso all’equilibrio e alla temperatura considerata. A parità di condizioni, le tensioni di vapore dei solidi generalmente non raggiungono, rispetto ai liquidi, valori molto elevati.

Ebollizione 

Riscaldando un liquido, al suo interno sarà possibile osservare la formazione di bolle che salgono in superficie provocando un forte rimescolamento: questo processo viene definito ebollizione e si verifica a una determinata temperatura detta temperatura di ebollizione. Quest’ultima si mantiene costante fino a quando tutto il liquido è divenuto vapore. 

Il calore latente di vaporizzazione è invece il calore (costante) che una quantità fissa di sostanza allo stato liquido richiede per passare completamente allo stato di vapore. La temperatura di ebollizione di una sostanza dipende direttamente dall’ambiente che sovrasta il liquido: alla pressione di 1 atmosfera (al livello del mare) l’acqua bolle a 100 °C mentre a pressioni più basse (es. in montagna) la temperatura di ebollizione diminuisce.

Quando raffreddiamo il vapore, avviene il suo passaggio allo stato liquido: la condensazione può avvenire a tutte le temperature uguali o inferiori a quella di ebollizione (a seconda della pressione a cui si trova il vapore). Il calore latente di condensazione è la quantità di calore che si deve allontanare per una quantità di sostanza a una determinata temperatura. Il passaggio di un gas allo stato liquido viene definito liquefazione.

Una curva di riscaldamento di un solido ci permette di individuare i seguenti passaggi:  

• La sostanza si riscalda: il calore fornito viene utilizzato per aumentare l’energia cinetica delle molecole del solido; le vibrazioni diventano più significative e quindi si osserverà un aumento di temperatura fino a raggiungere quella di fusione;
• La sostanza fonde: durante la trasformazione da solido a liquido, la temperatura rimane costante perché il calore fornito viene utilizzato solo per aumentare l’energia potenziale delle particelle;
• Il liquido si riscalda: il calore fornito viene utilizzato per aumentare l’energia cinetica delle molecole del liquido fino a raggiungere la temperatura di ebollizione alla quale le molecole riescono a vincere le forze che le tenevano unite nel liquido;
• Il liquido bolle: la temperatura resta costante durante il passaggio da liquido a vapore poiché il calore viene utilizzato per aumentare l’energia potenziale delle molecole;
• La temperatura aumenta poiché il calore fornito viene utilizzato per aumentare l’energia cinetica media delle molecole di vapore.