Appunti di chimica: la teoria cinetica della materia

La teoria cinetica della materia, o teoria cinetico-molecolare, è una teoria chimica e fisica che afferma che tutta la materia, nei suoi diversi stati di aggregazione (solido, liquido e gassoso) è composta da particelle miscroscopiche, dette molecole. Come illustriamo negli appunti che seguono, il variare delle condizioni di temperatura e pressione provoca (specialmente nei gas ma anche negli altri due stati di aggregazione) un movimento (o vibrazione) di queste particelle, ovvero l'energia termica si trasforma (o "corrisponde") ad una energia cinetica (cioè ad un movimento) molecolare.

La teoria cinetica, pur essendo fondata su postulati piuttosto semplici, è un utile modello scientifico per interpretare le proprietà della materia nei tre stati fisici. A tal fine però, si deve considerare anche la diversa disposizione nello spazio delle particelle nei tre stati. In un solido le particelle si attraggono fortemente l'una con l'altra; in altri termini ci sono legami fra le particelle tali da mantenerle vicine e fisse in un reticolo cristallino. Nei liquidi questo legame è più debole e le particelle possono scorrere le une sulle altre, pur mantenendo sempre lo stesso volume, indipendentemente dalle variazioni di temperatura e pressione. Nei gas, invece, questo legame è talmente flebile che le particelle possono muoversi in maniera completamente libera le une dalle altre, andando ad occupare completamente il volume del recipiente all'interno del quale il gas è contenuto.

In un gas o in una sostanza aeriforme, le molecole sono lontane le une dalle altre. Esse sono libere di spostarsi in ogni punto del recipiente che le contiene e si muovono casualmente a velocità assai elevate, molto più rapidamente che in un liquido. Le particelle si urtano fra loro e contro le pareti del recipiente, ma meno spesso che in un liquido (a causa della minore densità), ed esercitano reciprocamente forze attrattive piuttosto deboli a causa della distanza intermolecolare. A parità di volume (cioè all'interno del contenitore) pressione e temperatura crescono proporzionalmente, secondo la legge:

pV=nRT
Cioè se aumenta la temperatura, aumenta anche la pressione. Questo perché l'aumento di temperatura provoca un effetto cinetico sulle molecole del gas (aumento di velocità) provocando un maggior numero di "urti" nell'unità di tempo delle molecole sulle pareti del contenitore.

In un liquido le particelle sono ancora molto vicine fra loro, ma poiché la loro attrazione reciproca è più debole che nei solidi, hanno una maggiore libertà. I loro movimenti sono casuali, gli urti frequenti, anche se in ogni particella riesce a mantenersi a una distanza costante dalle altre. In media hanno un'energia maggiore delle particelle della stessa sostanza in forma solida. L'invariabilità della distanza fra le particelle e la loro vicinanza spiegano la costanza del volume dei liquidi e la loro incompressibilità. Se andiamo ad aumentare la temperatura del liquido, le particelle si muoveranno in maniera più veloce, fino ad arrivare al punto in cui si raggiunge la temperatura di ebollizione ed il liquido si trasforma in sostanza areiforme (stato gassoso) ed evapora.

Nei solidi il legame intermolecolare è talmente forte che le molecole sono "bloccate" all'interno di un reticolo cristallino più o meno rigido. L'aumento di temperatura non potrà, dunque, far muovere le molecole liberamente, come avviene nei gas o nei liquidi, ma provocherà una vibrazione delle stesse attorno al proprio punto di equilibrio. Anche in questo caso, se la temperatura aumenta fino ad una soglia critica, si raggiungerà la temperatura di liquefazione in cui il solido si trasformerà in liquido e le molecole saranno libere di muoversi come descritto al punto precedente.

Il primo ad intuire i concetti di cui abbiamo parlato fu lo scienziato tedesco Maxwell. Egli introdusse due concetti molto importanti che ci fanno capire la differenza tra stato solido, liquido e gassoso. Quelli di "velocità molecolare" (e della relativa distribuizione delle velocità, che è chiamata "distribuzione di Maxwell") e di "libero cammino medio" delle molecole. Intuitivamente possiamo capire che nei gas avremo alta velocità molecolare (che, inoltre, aumenta con la temperatura) ed elevato libero cammino medio. Al contrario nei liquidi e nei solidi questi valori saranno via via più bassi.

Da quanto abbiamo detto possiamo capire che anche la teoria cinetica rispetta il principio di conservazione dell'eregia, cioè che la energia totale, data dalla somma tra energia potenziale ed energia cinetica, deve mantenersi costante. Se abbiamo una certa quantità di calore, che è energia potenziale, e la applichiamo ad un gas o ad un liquido essa riscalda il liquido stesso trasformandosi in energia cinetica che anima le particelle aumentandone la quantità di moto.
Esiste dunque una equivalenza tra la temperatura di un gas/liquido/solido e la energia cinetica media delle molecole che lo compongono.

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