Gli stati di aggregazione della materia e i passaggi di stato

Tramite: O2O 03/09/2018
Difficoltà: media
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Introduzione

La materia, in chimica e fisica, occupa uno spazio. Essa si presenta in tre diversi stati fisici di aggregazione: solido, liquido ed aeriforme. Nel primo caso, il corpo possiede e mantiene una forma ed un volume propri (ad esempio un blocco di ferro). La materia allo stato liquido possiede un volume proprio, ma assume la forma del recipiente che lo contiene: mezzo litro d'acqua può assumere la forma di una bottiglietta o di un vaso per fiori. Allo stato aeriforme, invece, la sostanza non ha né volume né forma propri e tenderà ad occupare tutto il volume disponibile nel recipiente che la contiene. Si definiscono passaggi di stato le trasformazioni da uno stato fisico ad un altro.

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Lo stato solido, liquido ed aeriforme

Le molecole che compongono un corpo allo stato solido hanno distanze più o meno regolari e si legano tra loro mediante forze di coesione forti. Tali molecole compiono costantemente piccole oscillazioni molto rapide, avvicinandosi e allontanandosi tra loro e definendo la distanza media a cui le particelle si trovano. Nei solidi, però, le molecole non possono ruotare o traslare. Per tale motivo i solidi hanno forma e volume propri.
Non tutti, però, presentano la stessa struttura. Pensa, ad esempio, ai solidi cristallini ed a quelli amorfi. I primi hanno facce piane ed una forma geometrica regolare, le loro molecole si dispongono in modo ordinato perché hanno avuto molto tempo e spazio per allinearsi. I solidi amorfi, invece, non hanno una forma regolare, perché il tempo a loro disposizione non ha permesso la formazione di una struttura ordinata.
Nei corpi allo stato liquido le molecole si distribuiscono in modo irregolare e le forze di coesione sono più deboli rispetto a quelle che si creano nei solidi. Le particelle, perciò, riescono a rompere alcuni legami ed a formarne altri, muovendosi le une sulle altre ed assumendo la forma del recipiente. Mantengono, però, un volume proprio e, come i solidi, non sono comprimibili (pensa ad una bottiglia d'acqua con il tappo chiuso: non riusciamo a comprimerla).
Nello stato aeriforme, le molecole possono muoversi liberamente perché le forze di coesione sono quasi inesistenti e non risentono delle forze di attrazione. Possono, perciò, occupare tutto lo spazio disponibile.

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I passaggi di stato

Ogni sostanza può passare da uno stato di aggregazione ad un altro, mediante la semplice variazione della temperatura e/o della pressione. Tali trasformazioni si definiscono passaggi di stato. Il riscaldamento di un corpo fa aumentare l'agitazione delle molecole perché gli stiamo fornendo energia. Di conseguenza i legami si allentano inevitabilmente ed un solido si trasforma in liquido. Il fenomeno prende il nome di "fusione", mentre la temperatura a cui esso avviene è detta "punto di fusione". Un esempio è il passaggio da ghiaccio ad acqua. Il processo inverso si ha quando raffreddiamo un liquido: l'energia diminuisce e le sue particelle si muovono sempre meno. Arrivati ad una certa temperatura, chiamata "temperatura di solidificazione", il liquido si trasforma in solido ed assistiamo al fenomeno della "solidificazione". Per una stessa sostanza, punto di fusione e temperatura di solidificazione coincidono.

Aumentando la temperatura di un liquido, invece, la sostanza passa allo stato aeriforme. Il fenomeno viene definito "evaporazione". Se, però, avviene in modo tumultuoso e rapido si parla di "ebollizione". Ciò accade quando si raggiunge la "temperatura di ebollizione", unica per ciascun liquido. Il fenomeno inverso si definisce "condensazione" se si tratta di un vapore, "liquefazione" se siamo in presenza di gas. Il vapore è un aeriforme che si trasforma dallo stato liquido a gassoso per sola compressione. Tale fenomeno, infatti, aumenta la vicinanza tra le molecole che, avendo una maggiore probabilità di urtarsi, possono legarsi tra loro aumentando la propria stabilità e trasformandosi in liquido. Un gas, invece, è un aeriforme che, per passare allo stato liquido, deve essere sottoposto ad un forte abbassamento della temperatura ed a pressioni molto elevate.

In natura, poi, esistono due particolari passaggi di stato: da solido ad aeriforme e viceversa. Esistono, infatti, alcune sostanze che, una volta rotti i legami del solido, non si trasformano in liquido ma passano direttamente allo stato aeriforme. Tale fenomeno prende il nome di "sublimazione". Il passaggio inverso è chiamato "brinamento".
L'unica sostanza presente in natura sotto i tre diversi stati di aggregazione è l'acqua.

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Temperatura e forze molecolari

Come già accennato, per ottenere un passaggio di stato dobbiamo fornire o sottrarre calore (dunque energia) alla sostanza. Durante la trasformazione, però, la temperatura resta costante. Questo accade perché l'energia fornita, o sottratta, viene utilizzata dalle molecole per scindere, o formare, i legami, impedendo alla temperatura di variare. Una volta conclusa la trasformazione, la temperatura tornerà ad aumentare, o diminuire.

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Consigli

Non dimenticare mai:
  • Verifica i passaggi di stato dell'acqua, aumentando o diminuendo la temperatura
  • Verifica la comprimibilità delle sostanze: prendi una siringa (senza ago) e riempila d'acqua. Col dito tienila chiusa e prova a premere lo stantuffo. Ora fai lo stesso con la siringa piena d'aria. Cosa è successo? L'acqua si è dimostrata incomprimibile, l'aria no.
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