SCIENZE - CHIMICA - LA MATERIA

PRESENTAZIONE

Definire il concetto di materia in termini assoluti non è possibile; istintivamente saremmo portati a pensare che la materia è tutto ciò che possiamo vedere o toccare, ma non è esatto. Per la fisica classica la materia è tutto ciò che è dotato di massa e inerzia e, secondo questo concetto, viene classificata in base al suo stato di aggregazione, cioè secondo il suo aspetto esteriore.
Questi stati della materia sono tre: stato solido, liquido e gassoso.
I tre stati della materia

Nello stato solido le molecole sono vicinissime fra loro e bloccate da legami reciproci molto forti e stabili. Proprio a causa della rigidità di questi ultimi, un corpo solido ha sempre una forma e un volume propri; presenta quindi superfici limite che definiscono lo spazio da esso occupato. Esistono due tipi fondamentali di solidi: i cristalli e i solidi amorfi. In un cristallo le molecole che lo compongono occupano una precisa posizione nello spazio secondo una definita geometria e costituiscono il reticolo cristallino. Il sale, lo zucchero, i metalli (ad esempio il ferro che è un aggregato di microcristalli) sono solidi cristallini.
Il vetro e la pece invece sono esempi di solidi amorfi, poiché le loro molecole non fanno parte di una struttura regolare. Per il loro comportamento, questi solidi assomigliano molto di più a dei liquidi estremamente viscosi.
Le qualità che contraddistinguono una sostanza solida da un'altra sono: la durezza, ovvero la resistenza che presenta la superficie di un solido ad essere scalfita da una punta di un'altra sostanza. Il solido più duro è il diamante (cristallo di carbonio); curiosamente la grafite, anch'essa composta di solo carbonio, é un cristallo piuttosto tenero; la tenacità, cioè la resistenza che i solidi oppongono alla rottura per trazione; la fragilità, o resistenza a violente sollecitazioni meccaniche (urti); la malleabilità, proprietà tipica dei metalli di lasciarsi ridurre in fogli di spessore estremamente sottile ( il più malleabile è l'oro: da esso si possono ottenere fogli dallo spessore assai ridotto; la duttilità è invece la predisposizione di un solido ad essere ridotto in fili di spessore minimo. Il più duttile è il platino.
Un solido quindi può essere deformato. In generale, la proprietà di un solido di opporsi ad una forza deformante e di riportare il suo corpo alla primitiva forma, è detta elasticità; mentre l'incapacità di ritornare alle originali dimensioni viene definita plasticità. La gomma, un numero incredibile di plastiche, di resine e di metalli, se trattati in maniera particolare, hanno proprietà elastiche sorprendenti; la pece, la paraffina e l'argilla sono materiali estremamente plastici.
Una sostanza allo stato liquido possiede un volume proprio ma assume la forma del recipiente che la contiene: un tale comportamento è dovuto al fatto che le molecole di un liquido godono di una certa libertà di movimento perché attratte da legami più deboli e solo temporanei. Grazie a questa libertà di movimento le molecole dei liquidi possono scorrere le une sulle altre.
Quando più avanti verranno trattate le leggi fisiche sui liquidi, sentirete parlare di un liquido perfetto: con questo termine gli scienziati si riferiscono ad un liquido che non presenta attrito interno, né dilatabilità, né compressibilità.
Naturalmente l'espressione - liquido perfetto - è semplicemente un'ipotesi e nella realtà non esistono sostanze che rispondano alle caratteristiche sopra elencate. Un liquido perfetto risponde fedelmente alle leggi fisiche enunciate da Archimede e da Pascal: la prima sui corpi immersi in un liquido e la seconda sulle pressioni, che se esercitate in un sol punto del fluido si trasmettono inalterate in ogni altro punto all'interno del liquido.
Nello stato gassoso le molecole che costituiscono la materia sono molto lontane le une dalle altre; quindi un gas tende ad occupare tutto lo spazio disponibile, in quanto esso non presenta superfici che lo limitano nello spazio come avviene invece per un corpo solido.
Se un gas viene introdotto in un qualsiasi recipiente, esso ne assumerà più o meno rapidamente la forma. Ciò avviene perché gli atomi e le molecole che lo costituiscono sono riuniti in un particolare stato diaggregazione che permette loro di muoversi liberamente, allontanandosi o avvicinandosi gli uni agli altri senza alcun limite. Occorre tuttavia fare una distinzione fra gas e vapore in quanto il secondo, pur rappresentando un particolare stato aeriforme della materia, è facilmente riconducibile allo stato liquido da cui esso deriva. Anche i gas possono essere portati allo stato liquido, ma con notevoli difficoltà.
Un vero gas è comunemente chiamato gas reale e, come tale, esso segue con una certa fedeltà alcune leggi fisiche; tra queste leggi si citano quella di Boyle e Mariotte che riguarda la relazione tra il volume e la pressione del gas stesso a una data temperatura; la legge di Avogadro concernente il numero delle molecole contenute in un certo volume di gas; la legge di Gay-Lussac che si riferisce ad una massa gassosa in rapporto al riscaldamento cui viene sottoposta.
I gas si suddividono in: gas nobili, cioè elementi chimici che si trovano in natura allo stato gassoso (tra i quali l'elio, il neon, l'argo, il kripton, lo xeno e il rado); gas naturali, che sono quelli che si formano spontaneamente nel sottosuolo; gas ottenuti dalla gassificazione (trasformazione di combustibili solidi o liquidi in prodotti gassosi); gas di raffineria; gas d'alto forno; gas vulcanici; gas lacrimogeni, ecc.
Esempi di aggregazione

L'ENERGIA DELLE MOLECOLE

Lo stato fisico di un composto e di un elemento dipende dal livello di energia che ogni molecola possiede: la temperatura di una sostanza è proprio la misura del suo livello energetico. Per capire meglio questo concetto, prendiamo come esempio l'acqua: quando è liquida le sue molecole si muovono relativamente libere, unite alle altre molecole da legami deboli, che vengono continuamente rotti e riformati; se la raffreddiamo, le molecole si muovono più lentamente perché abbiamo sottratto loro energia, fino a che nessuna sarà abbastanza veloce da riuscire a rompere i legami chimici e si troveranno tutte bloccate reciprocamente: in pratica, l'acqua si cristallizza e si trasforma in ghiaccio.
Il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato solido si chiama solidificazione.
Naturalmente può avvenire il contrario, se si riscalda il ghiaccio eccitando le molecole di acqua fino a che avranno tanta energia da rompere di nuovo i legami e ritornare allo stato liquido (liquefazione). Continuando a fornire energia alle molecole d'acqua, queste ne avranno a sufficienza per vincere anche le residue forze di legame e quindi per liberarsi totalmente e passare allo stato gassoso (evaporazione).
L'evaporazione di un liquido è un processo superficiale: solo le molecole del liquido che hanno abbastanza energia e che si trovano sulla superficie a contatto con il vuoto o l'atmosfera, possono liberarsi e passare allo stato gassoso; l'ebollizione è invece un processo violento che si verifica solo se determinate condizioni fisiche, particolari per ciascuna sostanza, sono soddisfatte (determinati valori di temperatura e pressione).
Quando un liquido bolle, le sue molecole hanno tanta energia da passare allo stato gassoso anche senza trovarsi in superficie. Viceversa, il passaggio dello stato gassoso a quello liquido si chiama condensazione; la rugiada, la nebbia e le nuvole sono formate da minute gocce d'acqua provenienti dalla condensazione del vapore acqueo presente nell'atmosfera.
Č anche possibile che un solido passi direttamente allo stato gassoso: questo passaggio viene chiamato sublimazione.
La temperatura alla quale si verifica un passaggio di stato dipende dalla natura della sostanza e dal valore della pressione; ad esempio, il punto di ebollizione dell'acqua al livello del mare è di 100°C mentre quello del mercurio è di 356,9°C.
Normalmente i punti di fusione e di solidificazione sono identici, ma può accadere che essi differiscano di poco in concomitanza con particolari situazioni ambientali (ad esempio una determinata pressione atmosferica).

MISCUGLI, SOLUZIONI E COLLOIDI

Se prendiamo della finissima polvere di ferro (nero) e del fiore di zolfo (giallo), li versiamo insieme in un mortaio e li mescoliamo con cura, otterremmo una polvere brunastra all'apparenza omogenea. Ma per accorgerci che l'omogeneità è soltanto apparente, basterà osservare il miscuglio attraverso una buona lente di ingrandimento; in questo modo potremmo notare che la limatura di ferro resta distinta dal cristallo di zolfo: con una calamita, infatti, riusciamo a separare perfettamente le due sostanze, senza che queste perdano le loro caratteristiche chimico-fisiche.
A differenza del miscuglio, un'unione estremamente intima fra due sostanze è la soluzione: in un solvente (che è sempre un liquido) si scioglie un soluto, che può essere un solido, un liquido, oppure un gas. L'acqua è il solvente più conosciuto; tuttavia esistono composti che non si possono sciogliere in acqua, come ad esempio la cera, che invece si scioglie benissimo nella benzina.
Una regola generale è quella che si dice "simile scioglie simile" ovvero due sostanze, un solvente e un soluto, di natura chimica simile possono formare una soluzione.
I colloidi sono una via di mezzo tra un miscuglio e una soluzione: le particelle di soluto non possono essere distinte neppure con un microscopio, eppure non interagiscono con le molecole del solvente proprio come accade nei miscugli.
I colloidi sono molto diffusi in natura: il latte, ad esempio, è un colloide naturale (sospensione solido in liquido), allo stesso modo anche la maionese (liquido in liquido), il fumo (solido in gas), la schiuma (solido in liquido), il vetro colorato (solido in solido), la nebbia (liquido in gas), ecc.