Articolo sulle fasi della materia (basate sulle proprietà microscopiche)
Nella vita di tutti i giorni, incontriamo spesso tre diversi stati della materia. Ci sono sostanze solide (ad esempio, pietre, ferro, ecc.), liquide (acqua, benzina, ecc.) e gassose (aria, ecc.). I tre stati di queste sostanze si distinguono in base alla loro capacità di mantenere forma e dimensioni.
I solidi mantengono generalmente una forma e un volume fissi. I liquidi, invece, non mantengono una forma definita, ma si adattano al contenitore che occupano. Ad esempio, se mettiamo dell'acqua in un bicchiere, la sua forma cambia come quella del bicchiere. Se mettiamo dell'acqua nella vasca da bagno, la sua forma cambia come quella della vasca. Il volume dei liquidi è in genere sempre fisso. Se mettiamo un bicchiere d'acqua nella vasca, la quantità d'acqua rimane invariata. La forma dell'acqua può cambiare, ma il suo volume rimane invariato. È importante ricordare che il volume di solidi e liquidi può variare se sottoposto a una forza sufficiente.
E per quanto riguarda il gas? Il gas non ha forma e volume fissi. La forma e le dimensioni del gas si adattano sempre alla forma e alle dimensioni del contenitore che occupa. Ad esempio, se mettiamo gas in uno pneumatico di un'auto, il modo in cui il gas si comporta è simile a quello di uno pneumatico in un veicolo. Lo stesso vale per il volume. Quando si trova in un contenitore, il gas si espande fino a riempire l'intero spazio dello pneumatico. In questo caso, la quantità di gas cambia come il volume di uno pneumatico. Se gonfiamo un palloncino (mettiamo aria in un palloncino), la forma e il volume dell'aria cambieranno, come la forma e il volume del palloncino.
Finora abbiamo distinto le tre forme della materia solo in base alle loro proprietà macroscopiche (proprietà macroscopiche = forma e dimensione della sostanza). Naturalmente, questo si basa sui risultati delle nostre misurazioni e osservazioni quotidiane. Vedremo ora la differenza tra le tre forme della materia in base alle loro proprietà microscopiche. Ogni sostanza è composta da atomi o molecole. Quando diciamo che una roccia è stabile, non sappiamo mai cosa accade agli atomi o alle molecole che la compongono affinché la pietra diventi solida. Lo stesso vale per l'acqua. Cosa succede agli atomi o alle molecole che formano le pozze affinché la fase dell'acqua sia liquida e non si veda l'atmosfera?
Forme di sostanza basate su proprietà microscopiche
Prima di discutere le differenze tra solidi, liquidi e gassosi in base alle loro caratteristiche microscopiche, esaminiamo un oggetto. Ad esempio, le pietre. Se osserviamo attentamente la sabbia, vedremo che ogni particella della pietra è aderente alle altre. Anche se viene calciata e lanciata, la sua forma e dimensione non cambiano mai. Di solito, tutti gli elementi della roccia sono sempre presenti in un'unica unità. Perché? Riflettiamoci un attimo.
All'interno di una pietra ci sono atomi o molecole. Ora immagina una roccia. Prova a immaginare che la sabbia sia composta da piccoli pezzi. Inoltre, i pezzi di pietra diventano sempre più piccoli. Immagina gli atomi come una sfera minimale. Le molecole, invece, sono costituite da diverse sfere unite tra loro.
Nelle rocce ci sono tantissime molecole o atomi, anche minimi. Riesci a immaginare quanti atomi ci siano in una pietra?
Il diametro di un atomo è circa 10 all'10 ottobre m. Se immagini un atomo come una palla, allora il diametro della palla è 10-10 metri. Minimo e non visibile a occhio nudo… Solo immaginabile. Le molecole sono atomi che si uniscono, quindi le dimensioni di una molecola sono più significative di quelle di un atomo. Ma anche queste non sono visibili a occhio nudo.
Se atomi o molecole non formano un'unica unità, ovviamente, non tutte le parti della pietra rimangono unite. Ogni pezzo di roccia è tenuto insieme in modo che la forma della roccia diventi solida. Perché gli atomi o le molecole non si separano?
In effetti, gli atomi o le molecole si attraggono a vicenda. Se gli atomi o le molecole non si attraessero, ovviamente, si disperderebbero ovunque. Ogni atomo o molecola si separerebbe da un amico. Così, i pezzi di pietra si spargerebbero dappertutto. Anche i frammenti di roccia si disperderebbero, e alla fine non potremmo vederli. Anche i pezzi di pietra sono composti da atomi o molecole. Le dimensioni degli atomi sono minuscole, quindi se fossero separati, ovviamente, non potremmo vederli... Ma la realtà è diversa.
La pietra appare solida, ogni sua parte aderisce perfettamente alle altre. Possiamo quindi concludere che gli atomi o le molecole che formano gli oggetti solidi si attraggono a vicenda.
La forza di attrazione tra atomi o molecole è una forza elettromagnetica. La presenza di forze attrattive fa sì che atomi o molecole si avvicinino. Quando si avvicinano, gli elettroni nella parte più esterna dell'atomo o della molecola si respingono (repulsione elettrica). La distanza fa sì che atomi e molecole si allontanino. Anche se si allontanano, a causa dell'attrazione, gli atomi o le molecole si riavvicinano. Gli atomi o le molecole si muovono avanti e indietro (vibrando) mantenendo una distanza minima.
La differenza tra solidi, liquidi e gas, basata sulle proprietà microscopiche, risiede nella forza o nella debolezza dell'attrazione tra gli atomi o le molecole delle tre sostanze.
Tinte Unite
Nei solidi, le forze di attrazione tra atomi o molecole sono così intense che gli atomi o le molecole che li compongono rimangono sempre in una posizione fissa. Gli atomi o le molecole nei solidi si muovono avanti e indietro (vibrano), ma vibrano comunque nello stesso punto.
La forza dell'attrazione tra gli atomi o le molecole di questi solidi è il motivo per cui la forma e il volume rimangono sempre fissi. Anche se lanciati o colpiti, la forma della pietra o del ferro difficilmente cambia perché la forza di attrazione tra atomi o molecole è forte. Quando si mettono rocce o metallo in un secchio o in una vasca da bagno, il volume della roccia o del metallo non cambia mai. Quindi, la forte attrazione tra gli atomi o le molecole che compongono questi solidi fa sì che rimangano un'unità e la loro forma appaia solida.
La disposizione degli atomi o delle molecole che formano i solidi è rappresentata nell'immagine (nota anche come reticolo cristallino). Questa immagine è ingrandita. Gli atomi o le molecole sono minuscoli.
Liquido
Nei liquidi, la forza di attrazione tra atomi o molecole è meno intensa, quindi questi sono completamente liberi di muoversi avanti e indietro, sovrapponendosi l'uno all'altro. Gli atomi o le molecole che compongono il liquido possono effettivamente muoversi liberamente, ma non possono separarsi dai loro simili. L'intensità dell'attrazione è comunque sufficiente a impedire la loro dispersione.
Il motivo è che la forma del liquido può cambiare, ma il volume rimane sempre fisso. Quando mettiamo l'acqua in un bicchiere, la forza di attrazione tra gli atomi o le molecole non è abbastanza forte da far cambiare forma all'acqua, come accade per i bicchieri. Quando mettiamo l'acqua in una vasca da bagno, la minore forza di attrazione tra atomi o molecole fa sì che l'acqua si adatti alla forma della vasca. Il volume del liquido rimane sempre fisso perché la forza di attrazione tra atomi o molecole è ancora sufficiente a tenerli uniti. Gli atomi o le molecole che compongono l'acqua non si disperdono, quindi il volume è sempre costante.
La posizione dell'atomo o della molecola che compone il liquido, come mostrato nell'immagine (la freccia indica la direzione del movimento).
Gas
Nelle sostanze gassose, l'attrazione tra atomi o molecole è debole. Si muovono liberamente perché non esiste alcun legame tra di loro. Questa debole attrazione fa sì che gli atomi o le molecole che compongono la sostanza gassosa siano dispersi ovunque. Gli atomi che formano la sostanza gassosa sono più liberi rispetto agli atomi che formano le sostanze solide o liquide.
La disposizione degli atomi o delle molecole che compongono un gas è quella mostrata in figura.
L'attrazione fragile è la ragione per cui la forma e il volume di una sostanza gassosa possono cambiare, ed è per questo che l'occhio non può vedere l'aria. Le dimensioni degli atomi o delle molecole sono così piccole che, se sono dispersi ovunque, non possiamo vederli. Le dimensioni della sabbia o dello zucchero sono molto maggiori di quelle degli atomi o delle molecole, quindi anche se dispersi, i granelli di sabbia possono ancora essere visti a occhio nudo, sebbene sia un'operazione piuttosto complessa.
Le sostanze solide o liquide sono visibili perché gli atomi o le molecole non sono dispersi. La forza di attrazione presente nelle sostanze solide e gassose è sufficiente a mantenerle unite. La forza di attrazione nelle sostanze gassose è invece debole, incapace di tenere uniti atomi o molecole. Questa debole attrazione è anche il motivo per cui le sostanze gassose e liquide possono scorrere.
