Fasi e classificazione della materia

Stati della materia

La materia è definita come tutto ciò che occupa spazio e possiede una massa, ed è ovunque intorno a noi. Solidi e liquidi sono ovviamente materia: possiamo vedere che occupano spazio e il loro peso ci indica che hanno una massa. Anche i gas sono materia; se i gas non occupassero spazio, un palloncino rimarrebbe sgonfio anziché gonfiarsi quando viene riempito di gas.

Stato Solido

Per i metalli come l'oro o il plutonio, questo reticolo è tipicamente cristallino, consentendo proprietà quali rigidità, densità e conduttività elettrica. I livelli energetici sono sufficientemente bassi affinché i legami atomici rimangano intatti e l'ordine a lungo raggio sia preservato.

Stato Liquido

La struttura del reticolo collassa in un ordine a corto raggio: le particelle si riorganizzano continuamente pur rimanendo in contatto. I liquidi scorrono, trasmettono la pressione in modo efficiente e mostrano tensione superficiale. Questo stato emerge quando l'energia termica vince la rigidità del reticolo solido ma non la coesione tra le particelle.

Stato Gassoso

Le forze interatomiche sono trascurabili rispetto all'energia cinetica. I gas si espandono fino a riempire lo spazio disponibile, sono altamente compressibili e hanno una bassa densità. Questo stato si verifica quando l'energia termica supera completamente le forze coesive, permettendo alle particelle di comportarsi in modo indipendente.

Stato di Plasma

A differenza dei gas ordinari, il plasma è elettricamente conduttivo, emette radiazioni intense e risponde fortemente ai campi elettromagnetici. Il comportamento collettivo domina sul movimento delle singole particelle. In questo stato, la struttura chimica convenzionale cessa di esistere: la materia è governata principalmente da interazioni elettromagnetiche e su scala nucleare.

Il plasma rappresenta lo stato classico della materia a più alta energia, comunemente presente nelle stelle, nei fulmini e in fenomeni astrofisici o di laboratorio ad alta energia.

Massa e Peso

La materia sotto indagine può esistere come un assemblaggio complesso di diverse sostanze. Tali campioni possono assumere la forma di composti chimici, soluzioni omogenee o aggregati eterogenei, apparendo spesso come una collezione di campioni vari. Sia che si osservi una singola sostanza o una miscela sfaccettata, le proprietà dell'oggetto di studio sono determinate sia dalla sua composizione chimica che dallo stato fisico delle sue parti costituenti.

Alcune sostanze manifestano caratteristiche associate contemporaneamente a più stati della materia. Questo fenomeno si osserva frequentemente nei materiali granulari, dove il campione sfuso è composto da una miriade di particelle discrete. La sabbia, ad esempio, può essere 'versata' in un modo che suggerisce un liquido, eppure consiste di singoli grani che rimangono risolutamente solidi. Inoltre, la materia può esibire proprietà di vari stati quando esiste come miscela. Un esempio notevole si trova nelle nuvole; sebbene sembrino comportarsi come un gas, sono in realtà aerosol — miscele composte da aria allo stato gassoso e minuscole particelle d'acqua, che possono essere goccioline liquide o cristalli di ghiaccio solido.

La massa di un corpo costituisce una misura della quantità di materia in esso contenuta. Un metodo fondamentale per accertare la massa di un oggetto consiste nel determinare l'entità della forza necessaria per conferirgli una specifica accelerazione; ad esempio, è necessaria una forza molto maggiore per accelerare un'automobile rispetto a una bicicletta, a causa della massa decisamente superiore dell'auto. Nella pratica comune, tuttavia, la massa viene determinata più frequentemente impiegando una bilancia, uno strumento utilizzato per confrontare la massa ignota di un oggetto rispetto a una massa di riferimento standardizzata.

Sebbene il peso sia fondamentalmente associato alla massa, è imperativo distinguere tra questi due concetti. Il peso indica la forza gravitazionale esercitata su un corpo, una grandezza che esiste in proporzione diretta alla massa di quel corpo. Di conseguenza, mentre il peso di un oggetto fluttua in base all'intensità locale della gravitazione, la sua massa rimane una proprietà invariante. Si consideri, ad esempio, un'astronauta: la sua massa rimane inalterata dal suo arrivo sulla superficie lunare, eppure il suo peso è ridotto a un sesto del suo valore terrestre, poiché l'attrazione gravitazionale della Luna è solo una frazione di quella della Terra. Sebbene possa provare una sensazione di 'assenza di peso' quando le forze esterne sono trascurabili, fisicamente non è mai 'priva di massa', poiché la quantità di materia di cui è composta rimane costante.

La legge di conservazione della materia

Riassume molte osservazioni scientifiche sulla materia: afferma che non vi è alcun cambiamento rilevabile nella quantità totale di materia presente quando la materia si converte da un tipo all'altro (un cambiamento chimico) o cambia tra gli stati solido, liquido o gassoso (un cambiamento fisico). La produzione della birra e il funzionamento delle batterie forniscono esempi della conservazione della materia.

All'interno di un contenitore isolato, inseriamo diversi ingredienti costituenti; per il nostro scopo, facciamo in modo che il contenuto finale includa grano, acqua, zucchero, uovo, sale e olio d'oliva. Questo recipiente viene quindi sottoposto a un miscelatore vibrante per ottenere una composizione uniforme. Successivamente, il contenitore viene posto in un forno e cotto a 200°C (400°F) per una durata di trenta-trentacinque minuti.

Il recipiente stesso è progettato con una sezione secondaria discreta, dotata di un meccanismo a valvola di non ritorno e una camera costruita in gomma termicamente resiliente. Prima dell'inizio del processo di cottura, il contenitore viene pesato e il peso lordo totale viene meticolosamente registrato.

Esperimento sulla conservazione della materia

Questo esperimento illustra che la materia iniziale, non modificata, e la successiva 'zuppa' del prodotto post-cottura rimangono uguali in peso. Di conseguenza, anche la loro massa è provata essere uguale, poiché le misurazioni sono state condotte nello stesso luogo e in condizioni ambientali identiche.

Sebbene questa legge di conservazione valga per ogni conversione di materia, dimostrazioni convincenti sono notevolmente rare nell'esperienza comune. Questa scarsità deriva dal fatto che, al di fuori delle rigorose condizioni mantenute in laboratorio, raramente si riesce a raccogliere l'interezza delle sostanze prodotte durante una specifica trasformazione. Si consideri, ad esempio, i processi biologici di ingestione e digestione: sebbene tutta la materia del cibo originale sia rigorosamente preservata, una parte significativa viene incorporata nella struttura stessa del corpo, mentre il resto viene espulso come vari tipi di rifiuti. Di conseguenza, la verifica empirica di questa legge tramite misurazione diretta rimane una sfida formidabile in sistemi così complessi.

Inoltre, come si sarà notato, abbiamo progettato alcuni apparati sofisticati — in particolare la camera con capacità di volume dinamico e gli altri perfezionamenti dettagliati nella nostra descrizione sperimentale — per rendere trasparenti le nostre osservazioni. Queste innovazioni servono a dimostrare che la realtà dei sistemi fisici è una questione sfaccettata, spesso dipendente dalle complessità del mondo in generale, che funziona come un sistema aperto.

Bisogna anche riconoscere l'importanza fondamentale di un approccio scientifico rigoroso: in ogni fase della propria vita scientifica, è essenziale tenere conto sia dell'ambiente isolato teorico e idealizzato, sia dei sistemi aperti che si incontrano nel mondo reale.

Atomi e Molecole

Un atomo rappresenta la particella più minuta di un elemento che conserva le proprietà intrinseche di tale sostanza ed è in grado di partecipare a una combinazione chimica. Si consideri, a titolo illustrativo, l'elemento oro. Si immagini l'atto di sezionare una pepita d'oro, dividendo successivamente le parti risultanti ripetutamente fino a ottenere un frammento d'oro così infinitesimale da sfidare ogni ulteriore divisione, a prescindere dalla precisione dello strumento impiegato. Questa porzione ultima e irriducibile costituisce un atomo — termine derivato dal greco atomos, che significa 'indivisibile'. Tale atomo non sarebbe più oro se venisse ulteriormente diviso.

Il postulato iniziale secondo cui la materia è composta da atomi è attribuito ai filosofi greci Leucippo e Democrito, i quali formularono le proprie dottrine nel V secolo a.C. Tuttavia, non fu che all'alba del diciannovesimo secolo che John Dalton (1766–1844), un maestro di scuola britannico animato da una profonda dedizione all'indagine scientifica, avvalorò tale ipotesi mediante rigorose misurazioni quantitative.

Da quell'epoca, ripetute sperimentazioni hanno confermato numerosi aspetti di questa ipotesi, la quale è successivamente assurta al ruolo di teoria fondamentale nell'ambito della chimica. Alcuni altri precetti della teoria atomica di Dalton rimangono in uso ancora oggi, sebbene soggetti a lievi emendamenti; un'esposizione esauriente di tali principi è fornita nella trattazione successiva sugli atomi e le molecole.

Fotografia macroscopica: pepita d'oro (Au).

Immagine microscopica della struttura dell'oro allo stato solido.

Un atomo possiede una grandezza così infinitesimale che le sue dimensioni rimangono estremamente difficili da concepire per la mente umana. Tra gli oggetti più minuscoli distinguibili a occhio nudo vi è il singolo filo di una ragnatela; tali filamenti misurano circa cm (0,0001 cm) di diametro. Sebbene la sezione trasversale di un singolo filamento sia quasi impossibile da percepire senza l'ausilio di un microscopio, essa rimane colossale se misurata su scala atomica. Un singolo atomo di carbonio all'interno della suddetta ragnatela possiede un diametro di circa cm (0,000000015 cm); di conseguenza, occorrerebbero circa 7.000 atomi di carbonio per coprire il diametro di un singolo filamento. Per offrire all'allievo una prospettiva più chiara: se un atomo di carbonio venisse ingrandito fino alle dimensioni di una piccola moneta, la sezione trasversale del filo di ragnatela supererebbe allora le dimensioni di un campo da calcio, rendendo necessari circa 150 milioni di tali «monete» per coprirne la superficie.

Capsula di cotone matura

Il livello strutturale

Il livello cellulare dell'organizzazione del tessuto di cotone

Struttura molecolare dei tessuti organici fibrosi del fiore di cotone

Schema di una singola molecola organica all'interno del tessuto di cotone

Un atomo è talmente leggero che la sua massa risulta altrettanto difficile da concepire. Un miliardo di atomi di piombo (1.000.000.000 di atomi) pesano circa grammi, una massa decisamente troppo lieve per essere pesata persino dalle bilance più sensibili al mondo. Occorrerebbero oltre 300.000.000.000.000 di atomi di piombo (300 bilioni, ovvero ) per poter essere pesati, ed essi peserebbero appena 0,0000001 grammi.

È raro rinvenire in natura raggruppamenti di atomi singoli. Solo alcuni elementi d'elezione, come i gas nobili elio, neon e argon, consistono in atomi individuali che si muovono indipendentemente l'uno dall'altro. Altri elementi, come i gas idrogeno, azoto, ossigeno e cloro, sono composti da unità discrete costituite da coppie di atomi.

È inconsueto trovare collezioni di atomi individuali. Solo pochi elementi, come i gas elio, neon e argon, consistono in un insieme di atomi singoli che si muovono autonomamente l'uno rispetto all'altro. Altri elementi, come i gas idrogeno, azoto, ossigeno e cloro, sono composti da unità costituite da coppie di atomi.

Una forma dell'elemento fosforo consiste in unità composte da quattro atomi di fosforo. L'elemento zolfo esiste in varie forme, una delle quali consiste in unità composte da otto atomi di zolfo. Queste unità sono chiamate molecole. Una molecola consiste di due o più atomi uniti da forze potenti chiamate legami chimici.

Gli atomi in una molecola si muovono come un'unica unità, in modo assai simile alle lattine di bibita in una confezione da sei o a un mazzo di chiavi unite in un unico anello. Una molecola può consistere di due o più atomi identici, come nelle molecole presenti negli elementi idrogeno, ossigeno e zolfo; oppure può consistere di due o più atomi diversi, come nelle molecole che compongono l'acqua.

Ogni molecola d'acqua è un'unità che contiene due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Ogni molecola di glucosio è un'unità che contiene sei atomi di carbonio, dodici atomi di idrogeno e sei atomi di ossigeno. Al pari degli atomi, le molecole sono incredibilmente piccole e leggere. Se un comune bicchiere d'acqua venisse ingrandito fino alle dimensioni della Terra, le molecole d'acqua al suo interno avrebbero circa le dimensioni di palline da golf.

Idrogeno

Ossigeno

Fosforo

Zolfo

Acqua

Anidride carbonica

Glucosio

La Classificazione della Materia

Al fine di semplificare l'esposizione iniziale, si enuncerà qui una definizione della classificazione della materia che risulti piana e intelligibile, unitamente al metodo per la sua distinzione.

Trattasi, per certo, di una mera introduzione semplificata alle tecniche di classificazione chimica; nondimeno, è d'uopo pur cominciare da un qualche principio, e questo è il luogo più acconcio!

La materia può essere distinta in diverse categorie, due delle quali sono i miscugli e le sostanze pure. Una sostanza pura possiede una composizione costante; di conseguenza, ogni saggio di una sostanza pura esibisce esattamente la medesima costituzione e le medesime proprietà.

Per cagion d'esempio, qualunque campione di saccarosio (zucchero di canna) consta del 42,1% di carbonio, del 6,5% di idrogeno e del 51,4% di ossigeno in massa. Ogni esemplare di saccarosio palesa altresì le medesime proprietà fisiche — quali il punto di fusione, il colore e la sapidità dolce — indipendentemente dalla sorgente da cui sia stato isolato.

Le sostanze pure possono essere ulteriormente suddivise in due classi distinte: gli elementi e i composti.

Quelle sostanze pure che non possono essere scomposte in sostanze più semplici per mezzo di un mutamento chimico sono appellate elementi. Esempi famigliari tra gli oltre cento elementi noti annoverano il ferro, l'argento, l'oro, l'alluminio, lo zolfo, l'ossigeno e il rame.

Di siffatti elementi, circa novanta si rinvengono in natura sulla Terra, mentre circa due dozzine sono state prodotte artificialmente entro i laboratori.

Le sostanze pure che possono essere scisse mediante mutamenti chimici prendono il nome di composti. Tale scomposizione può generare o elementi o altri composti, ovvero entrambi. L'ossido di mercurio(II), un solido cristallino di color aranciato, può essere scisso dal calore negli elementi mercurio e ossigeno.

Ove riscaldato in assenza d'aria, il composto saccarosio si decompone nell'elemento carbonio e nel composto acqua. (Lo stadio iniziale di tal processo, allorquando lo zucchero imbrunisce, è noto come caramellizzazione — esso è ciò che conferisce il caratteristico aroma dolce e di nocciola alle mele caramellate, alle cipolle caramellate e al caramello).

Il cloruro d'argento(I) è un solido bianco che può essere scomposto nei suoi elementi, argento e cloro, per assorbimento di luce. Tale proprietà costituisce il fondamento per l'impiego di questo composto nelle pellicole fotografiche e nelle lenti fotocromatiche (quelle dotate di vetri che si oscurano se esposti alla luce).

Ossido di mercurio(II) (HgO)

Il composto si scinde in goccioline argentee di mercurio liquido e in ossigeno gassoso invisibile.

Le proprietà degli elementi combinati differiscono da quelle che essi posseggono allo stato libero, ovvero non combinato. Per cagion d'esempio, lo zucchero bianco cristallino (saccarosio) è un composto risultante dalla combinazione chimica dell'elemento carbonio — il quale si presenta quale solido nero in una delle sue forme non combinate — e dei due elementi idrogeno e ossigeno, i quali sono gas incolori allo stato libero. Il sodio elementare, sostanza che si presenta come un solido metallico, tenero e lucente, e il cloro libero, elemento consistente in un gas giallo-verde, si combinano per formare il cloruro di sodio (sale comune), un composto che è un solido cristallino bianco.

Una miscela si compone di due o più tipi di materia che possono essere presenti in quantità variabili e possono essere separati mediante mutamenti fisici, quali l'evaporazione (argomento su cui il lettore riceverà più ampie istruzioni in seguito). Una miscela la cui composizione varia da punto a punto è detta miscela eterogenea. Il condimento all'italiana costituisce un esempio calzante di miscela eterogenea.

La sua composizione può variare poiché possiamo prepararla con quantità differenti di olio, aceto ed erbe aromatiche. Essa non è uniforme in ogni punto della miscela — una goccia può essere costituita per lo più da aceto, laddove un'altra può contenere principalmente olio o erbe, giacché l'olio e l'aceto tendono a separarsi e le erbe a depositarsi sul fondo. Altri esempi di miscele eterogenee sono i biscotti con gocce di cioccolato (nei quali si possono distinguere i frammenti di cioccolato, le noci e l'impasto) e il granito (ove l'osservatore può discernere il quarzo, la mica, il feldspato e altri minerali ancora).

Una miscela omogenea, chiamata altresì soluzione, esibisce una composizione uniforme e appare visivamente identica in tutta la sua massa. Un esempio di soluzione è la bevanda per sportivi, costituita da acqua, zucchero, coloranti, aromi ed elettroliti, mescolati insieme in modo del tutto uniforme.

Ogni goccia di una bevanda per sportivi possiede il medesimo sapore, poiché ogni singola parte contiene le medesime proporzioni di acqua, zucchero e altri componenti. Si noti che la composizione di tale bevanda può variare — essa potrebbe essere preparata con una quantità maggiore o minore di zucchero, aromi o altri componenti, e nondimeno restare una bevanda per sportivi. Altri esempi di miscele omogenee includono l'aria, lo sciroppo d'acero, la benzina e una soluzione di sale in acqua.

Sebbene si contino poco più di cento elementi, decine di milioni di composti chimici risultano dalle differenti combinazioni di tali elementi. Ogni composto possiede una composizione specifica e gode di proprietà chimiche e fisiche definite, per mezzo delle quali ci è dato distinguerlo da tutti gli altri composti. E, naturalmente, sussistono innumerevoli modi di combinare elementi e composti per formare differenti miscele. Un sommario dei metodi per distinguere le varie classificazioni maggiori della materia è presentato nello schema seguente:

Undici elementi costituiscono approssimativamente il novantanove per cento della crosta terrestre e dell'atmosfera. Di questa quantità totale, l'ossigeno ne compone quasi la metà, mentreché il silicio ne rappresenta circa un quarto. La maggior parte degli elementi sulla Terra si rinvengono in combinazione chimica con altri; tuttavia, circa un quarto degli elementi si possono trovare eziandio allo stato libero.

Decomposizione dell'acqua, esperimento vs realtà

L'acqua è composta dagli elementi idrogeno e ossigeno combinati in un rapporto di 2 a 1. L'acqua può essere decomposta in gas idrogeno e ossigeno mediante l'aggiunta di energia. Un modo per farlo è con una batteria o un alimentatore.

La decomposizione dell'acqua comporta un riarrangiamento degli atomi nelle molecole d'acqua in molecole diverse, composte rispettivamente da due atomi di idrogeno e due atomi di ossigeno. Due molecole d'acqua formano una molecola di ossigeno e due molecole di idrogeno.

La rappresentazione di ciò che accade, , sarà approfondita nei capitoli successivi.

Decomposizione dell'acqua / Produzione di idrogeno

I due gas prodotti hanno proprietà nettamente diverse. L'ossigeno non è infiammabile ma è necessario per la combustione di un combustibile, mentre l'idrogeno è altamente infiammabile e rappresenta una potente fonte di energia. In che modo questa conoscenza potrebbe essere applicata nel nostro mondo? Un'applicazione riguarda la ricerca di trasporti più efficienti dal punto di vista energetico. I veicoli a celle a combustibile (FCV) funzionano a idrogeno anziché a benzina.

Sono più efficienti dei veicoli con motori a combustione interna, non inquinano e riducono le emissioni di gas serra, rendendoci meno dipendenti dai combustibili fossili. Tuttavia, gli FCV non sono ancora economicamente sostenibili e l'attuale produzione di idrogeno dipende dal gas naturale. Se riusciremo a sviluppare un processo per decomporre l'acqua in modo economico, o a produrre idrogeno in un altro modo ecologicamente corretto, gli FCV potrebbero rappresentare la strada del futuro.

Concetto di generazione di energia tramite reazione chimica tra idrogeno e ossigeno