Proprietà e stati della materia (fisica): una panoramica

Le proprietà fisiche della materia sono alla base di gran parte della fisica. Oltre a comprendere gli stati della materia, i cambiamenti di fase e le proprietà chimiche, quando si parla di materia, è importante comprendere grandezze fisiche come densità (massa per unità di volume), massa (quantità di materia) e pressione (forza per unità la zona).

La materia di tutti i giorni con cui hai familiarità è fatta di atomi. Questo è il motivo per cui gli atomi sono comunemente chiamati i mattoni della materia. Esistono più di 109 diversi tipi di atomi e rappresentano tutti gli elementi della tavola periodica.

Le due parti principali dell'atomo sono il nucleo e il guscio elettronico. Il nucleo è di gran lunga la parte più pesante dell'atomo ed è dove si trova la maggior parte della massa. È una regione strettamente legata al centro dell'atomo e, nonostante la sua massa, occupa relativamente poco spazio rispetto al resto dell'atomo. Nel nucleo ci sono protoni (particelle con carica positiva) e neutroni (particelle con carica negativa). Il numero di protoni nel nucleo determina quale elemento è l'atomo e diversi numeri di neutroni corrispondono a diversi isotopi di quell'elemento.

Gli elettroni sono particelle cariche negativamente che formano una nuvola diffusa o un guscio attorno al nucleo. In un atomo con carica neutra, il numero di elettroni è uguale al numero di protoni. Se il numero è diverso, l'atomo è chiamato ione.

Le molecole sono atomi tenuti insieme da legami chimici. Esistono tre tipi principali di legami chimici: ionici, covalenti e metallici. I legami ionici si verificano quando uno ione negativo e uno positivo sono attratti l'uno dall'altro. Un legame covalente è un legame in cui due atomi condividono gli elettroni. I legami metallici sono legami in cui gli atomi agiscono come ioni positivi immersi in un mare di elettroni liberi.

Le proprietà microscopiche di atomi e molecole danno origine alle proprietà macroscopiche che determinano il comportamento della materia. La risposta delle molecole ai cambiamenti di temperatura, la forza dei legami e così via portano a proprietà come capacità termica specifica, flessibilità, reattività, conduttività e molte altre.

Uno stato della materia è una delle tante possibili forme distinte in cui la materia può esistere. Esistono quattro stati della materia: solido, liquido, gassoso e plasma. Ogni stato ha proprietà distinte che lo distinguono dagli altri stati, e ci sono processi di transizione di fase mediante i quali la materia cambia da uno stato all'altro.

Quando pensi a un solido, probabilmente pensi a qualcosa di duro o solido in qualche modo. Ma i solidi possono essere anche flessibili, deformabili e malleabili.

I solidi si distinguono per le loro molecole strettamente legate. La materia allo stato solido tende ad essere più densa di quando è allo stato liquido (sebbene ci siano eccezioni, in particolare l'acqua). I solidi mantengono la loro forma e hanno un volume fisso.

Un tipo di solido è acristallinosolido. In un solido cristallino, le molecole sono disposte in uno schema ripetuto in tutto il materiale. I cristalli sono facilmente identificabili per la loro geometria e simmetria macroscopica.

Un altro tipo di solido è anamorfosolido. Questo è un solido in cui le molecole non sono affatto disposte in un reticolo cristallino. UNpolicristallinoil solido è da qualche parte nel mezzo. È spesso composto da piccole strutture monocristalline, ma senza uno schema ripetitivo.

I liquidi sono fatti di molecole che possono scorrere facilmente l'una sull'altra. L'acqua che bevi, l'olio con cui cucini e la benzina nella tua macchina sono tutti liquidi. A differenza dei solidi, i liquidi prendono la forma del fondo del loro contenitore.

Sebbene i liquidi possano espandersi e contrarsi a diverse temperature e pressioni, questi cambiamenti sono spesso piccoli e, per la maggior parte degli scopi pratici, si può presumere che anche i liquidi abbiano un volume fisso. Le molecole in un liquido possono scorrere l'una accanto all'altra.

Viene chiamata la propensione di un liquido ad essere leggermente "appiccicoso" quando attaccato a una superficieadesione, e la capacità delle molecole liquide di volersi unire (come quando una goccia d'acqua forma una palla su una foglia) è chiamatacoesione​.

In un liquido, la pressione dipende dalla profondità e, per questo motivo, gli oggetti sommersi o parzialmente sommersi sentiranno una forza di galleggiamento dovuta alla differenza di pressione sulla parte superiore e inferiore dell'oggetto. Il principio di Archimede descrive questo effetto e spiega come gli oggetti galleggiano o affondano nei liquidi. Può essere riassunto dall'affermazione che "la forza di galleggiamento è uguale al peso del liquido spostato". In quanto tale, la forza di galleggiamento dipende dalla densità del liquido e dalle dimensioni dell'oggetto. Gli oggetti più densi del liquido affonderanno e quelli meno densi galleggeranno.

I gas contengono molecole che possono muoversi facilmente l'una intorno all'altra. Prendono tutta la forma e il volume del loro contenitore e si espandono e si contraggono molto facilmente. Le proprietà importanti di un gas includono la pressione, la temperatura e il volume. Infatti, queste tre quantità sono sufficienti per descrivere completamente lo stato macroscopico di un gas ideale.

Un gas ideale è un gas in cui le molecole possono essere approssimate come particelle puntiformi e in cui si presume che non interagiscano tra loro. La legge dei gas ideali descrive il comportamento di molti gas ed è data dalla formula

dovePè la pressione,Vè il volume,nè il numero di moli di una sostanza,Rè la costante dei gas ideali (R= 8,3145 J/molK) eTè la temperatura.

Una formulazione alternativa di questa legge è

dovenoè il numero di molecole eKè la costante di Boltzmann (K​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Un lettore scettico può verificare chenR = Nk​.)

I gas esercitano anche forze di galleggiamento sugli oggetti immersi in essi. Mentre la maggior parte degli oggetti di uso quotidiano sono più densi dell'aria intorno a noi, rendendo questa forza di galleggiamento non molto evidente, un pallone ad elio ne è un perfetto esempio.

Il plasma è un gas che è diventato così caldo che gli elettroni tendono a lasciare gli atomi, lasciando ioni positivi in ​​un mare di elettroni. Poiché ci sono un numero uguale di cariche positive e negative nel plasma in generale, si considera quasi-neutro, sebbene la separazione e l'aggregazione locale delle cariche facciano sì che il plasma si comporti in modo molto diverso da a gas normale.

Il plasma è influenzato significativamente dai campi elettrici e magnetici. Questi campi non devono nemmeno essere esterni, poiché le cariche nel plasma stesso creano campi elettrici e magnetici mentre si muovono, che si influenzano a vicenda.

A temperature ed energie più basse, gli elettroni e gli ioni vogliono ricombinarsi in atomi neutri, quindi il mantenimento di uno stato di plasma richiede generalmente temperature elevate. Tuttavia, è possibile creare il cosiddetto plasma non termico in cui gli elettroni stessi mantengono una temperatura elevata mentre i nuclei ionizzati no. Ciò accade, ad esempio, nel gas a vapori di mercurio in una lampada fluorescente.

Non esiste necessariamente una separazione netta tra un gas "normale" e un plasma. Gli atomi e le molecole in un gas possono essere ionizzati per gradi, mostrando una dinamica più simile al plasma quanto più il gas si avvicina ad essere completamente ionizzato. Il plasma si distingue dai gas standard per la sua elevata conducibilità elettrica, il fatto che si comporta come un sistema con due distinti tipi di particelle (ioni positivi ed elettroni negativi) al contrario di un sistema con un tipo (atomi o molecole neutri) e collisioni e interazioni di particelle che sono molto più complesse delle interazioni "palla da biliardo" a 2 corpi in un gas.

Esempi di plasma includono fulmini, ionosfera terrestre, illuminazione fluorescente e gas nel sole.

La materia può subire un cambiamento fisico da una fase o da uno stato all'altro. I principali fattori che influenzano questo cambiamento sono la pressione e la temperatura. Come regola generale, un solido deve diventare più caldo per trasformarsi in un liquido, un liquido deve diventare più caldo per trasformarsi in un gas e un gas deve diventare più caldo per essere ionizzato e diventare un plasma. Le temperature alle quali si verificano queste transizioni dipendono dal materiale stesso e dalla pressione. Infatti, è possibile passare direttamente da un solido a un gas (questa si chiama sublimazione) o da un gas a un solido (deposizione) nelle giuste condizioni.

Quando un solido viene riscaldato fino al punto di fusione, diventa un liquido. È necessario aggiungere energia termica per riscaldare il solido fino alla temperatura di fusione, quindi è necessario aggiungere ulteriore calore per completare la transizione di fase prima che la temperatura possa continuare a salire. Ilcalore latente di fusioneè una costante associata a ciascun particolare materiale che determina quanta energia è necessaria per fondere un'unità di massa della sostanza.

Funziona anche nell'altra direzione. Quando un liquido si raffredda, deve cedere energia termica. Una volta raggiunto il punto di congelamento, deve continuare a cedere energia per poter subire la transizione di fase prima che la temperatura possa continuare ad abbassarsi.

Un comportamento simile si verifica quando un liquido viene riscaldato fino al punto di ebollizione. L'energia termica viene aggiunta, causando l'aumento della temperatura, fino a quando non inizia a bollire, a quel punto viene utilizzata l'energia termica aggiunta per causare la transizione di fase e la temperatura del gas risultante non aumenterà fino a quando tutto il liquido non sarà cambiato fase. Una costante chiamatacalore latente di vaporizzazionedetermina, per una particolare sostanza, quanta energia è necessaria per cambiare la fase della sostanza da liquida a gassosa per unità di massa. Il calore latente di vaporizzazione di una sostanza è generalmente molto maggiore del calore latente di fusione.

Le proprietà chimiche della materia determinano quali tipi di reazioni chimiche o cambiamenti chimici possono verificarsi. Le proprietà chimiche sono distinte dalle proprietà fisiche in quanto richiedono una sorta di cambiamento chimico per misurarle.

Esempi di proprietà chimiche includono infiammabilità (quanto è facile bruciare un materiale), reattività (quanto facilmente subisce reazioni chimiche), stabilità (quanto è probabile che resista al cambiamento chimico) e tipi di legami che il materiale può formare con altri materiali.

Quando si verifica una reazione chimica, i legami tra gli atomi vengono alterati e si formano nuove sostanze. I tipi comuni di reazioni chimiche includono la combinazione (in cui due o più molecole si combinano per formare una nuova molecola), la decomposizione (in cui una molecola si rompe in due o più molecole diverse) e la combustione (in cui i composti si combinano con l'ossigeno, rilasciando quantità significative di calore - più comunemente indicato come "combustione") per nominare un pochi.