6. Gli stati fisici della materia
Stati di aggregazione
La materia può avere tre stati di aggregazione, spiegabili con la teoria cinetico-corpuscolare.
Si ritiene che la materia sia costituita da piccolissime particelle dotate di energia cinetica, cioè si
muovono continuamente. Le particelle sono attirate le une dalle altre da forze di coesione che
tendono a mantenerle vicine, mentre l’energia cinetica tende ad allontanarle. Il prevalere di una
o dell’altra forza determina lo stato fisico di aggregazione, che è specifico di ogni sostanza a
determinate condizioni di pressione e temperatura.
solido: le particelle sono molto vicine e occupano uno
spazio definito e fisso; a causa delle elevate forze di
coesione possono solamente oscillare, perciò il solido ha un
volume e una forma propria, una densità alta e una bassa
dilatazione termica: un aumento di pressione ha un effetto
praticamente nullo sul volume, il solido è cioè
incomprimibile. Lo stato solido cristallino si ha quando le
sostanze assumono una forma poliedrica, anche se
irregolare. Quando le particelle assumono una forma
disordinata si parla di solido amorfo e, anche se le particelle
non possono muoversi, si può considerare liquido ad
altissima viscosità.
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6. Gli stati fisici della materia
Stati di aggregazione
liquido: le particelle sono meno vicine rispetto allo stato
solido e hanno una minore forza di coesione, per cui
possono scorrere; di conseguenza, la materia ha un volume
proprio ma la forma del recipiente che la contiene; ha una
media densità e media dilatazione termica; all’aumento
della pressione, la diminuzione di volume è trascurabile e
quindi il liquido è praticamente incomprimibile.
aeriforme: le particelle sono separate e in continuo rapido
movimento, per cui la materia assume forma e volume del
recipiente che lo contiene; ha una bassa densità ed elevata
dilatazione termica; con l’aumentare della pressione il
volume
diminuisce
sensibilmente.
I corpi allo stato aeriforme si distinguono in vapori e gas: i
primi sono sostanze che a temperatura ambiente esistono
come solidi (naftalina) o liquidi (alcool), mentre i gas a
temperatura ambiente esistono solo come aeriformi.
Liquidi e aeriformi sono chiamati fluidi per la loro capacità di scorrere e
di assumere la forma del recipiente.
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6. Gli stati fisici della materia
Passaggi di stato
La materia, se sottoposta a variazione di temperatura e pressione, subisce una trasformazione da uno
stato fisico ad un altro, chiamato passaggio di stato, una trasformazione fisica e non chimica, perché non
viene alterata la composizione della sostanza, ma solo il modo in cui sono legate le particelle. Quando un
corpo è riscaldato, l’energia delle particelle aumenta fino a superare le forze di coesione, determinando il
passaggio di stato; viceversa, raffreddandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno più
sentire le forze di coesione. Per quanto riguarda la pressione, un suo aumento favorisce il passaggio da
vapore a liquido e da liquido a solido, perché si ha l’avvicinamento delle particelle e quindi l’aumento delle
forze di coesione. Al contrario, una diminuzione di pressione favorisce i passaggi di stato opposti: fusione,
vaporizzazione, sublimazione.
La tabella riassume i diversi passaggi di stato.
fusione
passaggio da solido a liquido
solidificazione
passaggio da liquido a solido
vaporizzazione
passaggio da liquido ad aeriforme
condensazione
passaggio da aeriforme a liquido
sublimazione
passaggio diretto da solido ad aeriforme
brinamento
passaggio diretto da aeriforme a solido
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6. Gli stati fisici della materia
Sostanze pure, miscugli e soluzioni
Una sostanza pura o specie chimica è una sostanza che presenta una composizione ben definita e
costante, Ad esempio lo zucchero, è formato da atomi di carbonio, idrogeno, ossigeno ed è quindi
una sostanza organica, l'acqua, formata da idrogeno ed ossigeno, il sale, formato da cloro e sodio,
l'ossigeno, formato da atomi di ossigeno sono invece sostanze inorganiche.
L'aria invece è una miscela, perché formata da diverse sostanze pure
I miscugli possono essere omogenei
ed eterogenei.
Un miscuglio eterogeneo è costituito
da
componenti
chimicamente
definiti e da fasi fisicamente
distinguibili (ad es. acqua e olio).
Un miscuglio omogeneo di due o più
sostanze è chiamato soluzione (ad
es. acqua e sale). Il materiale più
abbondante del miscuglio è il
solvente, mentre i materiali meno
abbondanti si chiamano soluti.
Quando, ad una certa temperatura,
non è più possibile sciogliere un
soluto nel solvente, la soluzione
viene detta satura.
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7. Processi fisici e trasformazioni chimiche
Proprietà fisiche e chimiche.
Le proprietà della materia sono
distinte in fisiche e chimiche.
Proprietà fisiche: sono osservabili
senza che si debba alterare la
composizione chimica della sostanza.
Proprietà chimiche: è necessario che
la sostanza venga sottoposta a una
trasformazione chimica.
Trasformazioni fisiche: intervengono
sulle proprietà fisiche e non alterano
la composizione chimica della
sostanza.
Trasformazioni chimiche: cambia la
composizione chimica delle sostanze
coinvolte e si ha quindi la formazione
di nuove sostanze.
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7. Processi fisici e trasformazioni chimiche
Trasformazioni fisiche.
Con la divisione in lastre, la
roccia
subisce
una
trasformazione fisica.
L’ardesia, per esempio, è una
roccia che può essere tagliata
facilmente in lastre. Per
questa sua proprietà viene
usata per realizzare tetti e
altre coperture, ma anche le
lavagne.
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7. Processi fisici e trasformazioni chimiche
Le trasformazioni chimiche sono dette solitamente reazioni chimiche. Le sostanze coinvolte
nella trasformazione sono dette reagenti, mentre le nuove sostanze che si ottengono nel corso
del processo sono dette prodotti.
Esempi di reazioni: la comparsa di bollicine, un cambiamento di colore, la formazione di un
solido (non per una variazione di temperatura), un aumento o una rapida diminuzione di
temperatura, ecc.
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7. Processi fisici e trasformazioni chimiche
Equazioni chimiche
La chimica ha un linguaggio molto sintetico che, per alcuni aspetti, ha delle somiglianze con il linguaggio
matematico. Essa si serve, infatti, di simboli ed equazioni: le formule servono per rappresentare le varie
sostanze; le equazioni per rappresentare le reazioni.
In un’equazione chimica, a sinistra si scrivono i reagenti (se sono più di uno vengono associati con il segno
+) e a destra i prodotti, che possono essere uno o più di uno. Tra i reagenti e i prodotti si scrive una
freccia, che rappresenta la trasformazione.
La legge fondamentale che
governa le equazioni chimiche
è la legge di Lavoisier o della
conservazione della massa,
ovvero il tipo di atomi e il loro
numero non cambia, quello che
cambia sono le nuove relazioni
tra gli stessi atomi, cioè c’è solo
un riarrangiamento della loro
composizione chimica.
Per fare in modo che la legge di Lavoisier sia verificata è necessario bilanciare l’equazione chimica,
aggiungendo dei coefficienti, cioè dei numeri che facciano pareggiare il numero di atomi a sinistra e a
destra della freccia.
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8. L’energia e le sue trasformazioni
L’energia è la capacità di un corpo di eseguire lavoro e trasferire calore
Il lavoro è una grandezza
fisica connessa con i
concetti di movimento e di
forza: una forza compie un
lavoro su un corpo quando
questo si sposta nella
direzione lungo la quale
agisce la forza.
L’energia può trasformarsi
da una forma ad un’altra.
Il calore è un flusso di energia, ovvero è dovuto al moto disordinato e casuale di
atomi e molecole, noto come agitazione termica, che si propaga trasmettendosi da
una molecola all’altra.
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8. L’energia e le sue trasformazioni
La temperatura di un corpo indica il suo stato
termico, ma non ci dà alcuna informazione sulla
quantità di calore che ha consentito di raggiungere
quel determinato stato.
La temperatura è una grandezza
fondamentale e la sua unità di
misura nel SI è il kelvin (K)
Conversioni:
T (K) = t (°C) + 273,15
T (°C) = T (K) – 273,15
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8. L’energia e le sue trasformazioni
L’energia posseduta da un corpo può essere distinta in due categorie: energia cinetica, connessa con il
movimento, ed energia potenziale. Quest’ultima è un’energia immagazzinata, in quanto posseduta
dal corpo in virtù della sua posizione o configurazione. Per esempio, è energia potenziale quella di un
masso in bilico sull’orlo di un pendio. È di tipo potenziale anche l’energia chimica contenuta nei legami
tra gli atomi di un pezzo di carbone o di legno, o quella contenuta negli alimenti.
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8. L’energia e le sue trasformazioni
L’energia non si crea né si distrugge, ma unicamente passa da una forma a un’altra. Per esempio, con la
fotosintesi, l’energia della luce solare non viene consumata dalle piante verdi, ma viene solo convertita,
da queste, in energia chimica.
Nelle
trasformazioni
dell’energia da una forma
in un’altra, parte di tale
energia viene dissipata
come calore, che, perciò,
rappresenta una forma di
energia
disordinata
e
dispersa.
Quindi, nell’evoluzione e nel
funzionamento di tutti i
sistemi (cellula, organismo,
motore, ecc., considerati
unitamente
all’ambiente
circostante) l’energia passa,
nel complesso, da una
forma più ordinata e
concentrata a una forma più
disordinata e dispersa.
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