Stati della materia — Solido, liquido, gas e plasma

Gli stati della materia sono le forme fisiche che una sostanza può assumere: solido, liquido, gas e plasma. L’idea di base è semplice. I solidi mantengono forma e volume, i liquidi mantengono il volume ma prendono la forma del contenitore, i gas si espandono fino a riempire il contenitore e il plasma è uno stato simile al gas formato da particelle cariche.

Questi sono chiamati anche fasi della materia. Quando una sostanza cambia stato, la sua identità chimica non cambia. Cambiano invece la distanza tra le particelle, il loro moto e l’intensità con cui interagiscono.

Che cosa determina uno stato della materia

A livello particellare, ogni stato è un diverso equilibrio tra moto e attrazione. Se le particelle sono tenute saldamente in posizione, la sostanza si comporta come un solido. Se restano vicine ma possono scorrere l’una accanto all’altra, si comporta come un liquido. Se si muovono liberamente e si disperdono, si comporta come un gas.

Conta anche la pressione, non solo la temperatura. Uno stato stabile in certe condizioni può cambiare in altre.

Solido, liquido, gas e plasma spiegati

Il solido mantiene forma e volume

In un solido, le particelle sono molto vicine e restano in posizioni fisse l’una rispetto all’altra. Si muovono comunque, ma soprattutto vibrando. Per questo un solido mantiene sia la forma sia il volume.

Il liquido mantiene il volume ma non la forma

In un liquido, le particelle sono ancora vicine tra loro, ma possono scorrere le une accanto alle altre. Per questo un liquido mantiene un volume quasi fisso mentre assume la forma del contenitore.

Il gas riempie il contenitore

In un gas, le particelle sono molto più distanti tra loro e si muovono liberamente nel contenitore. Un gas non mantiene una propria forma né un proprio volume in condizioni ordinarie. Si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile.

Il plasma contiene particelle cariche

Il plasma è spesso descritto come un gas ionizzato. Si forma quando viene fornita abbastanza energia da separare alcuni elettroni dagli atomi o dalle molecole. Poiché il plasma contiene particelle cariche, può rispondere ai campi elettrici e magnetici in modi in cui un normale gas neutro non può.

Esempio svolto: l’acqua come ghiaccio, acqua liquida e vapore acqueo

L’acqua è un ottimo esempio perché la sostanza resta $H_2O$ in ogni stato. L’identità rimane la stessa mentre cambia il comportamento delle particelle.

Il ghiaccio è acqua allo stato solido. Le sue molecole sono tenute in una struttura ordinata, quindi mantiene la propria forma.

L’acqua liquida ha molecole che restano vicine tra loro ma si muovono l’una attorno all’altra, quindi scorre e prende la forma di un bicchiere o di una bottiglia.

Il vapore acqueo è acqua allo stato gassoso. Le molecole sono abbastanza distanti da far sì che il campione si espanda fino a riempire lo spazio disponibile. Nel linguaggio quotidiano, spesso si chiama "vapore" il vapore acqueo caldo, ma la nube bianca visibile sopra un bollitore di solito contiene anche minuscole goccioline liquide.

Questo esempio mostra la differenza tra una trasformazione fisica e una trasformazione chimica. Fusione ed ebollizione non creano una nuova sostanza. Il campione è sempre acqua, quindi cambia solo lo stato.

Come avvengono i cambiamenti di stato

Quando cambiano temperatura o pressione, la materia può passare da uno stato a un altro.

• Fusione: da solido a liquido
• Solidificazione: da liquido a solido
• Vaporizzazione: da liquido a gas
• Condensazione: da gas a liquido
• Sublimazione: da solido a gas
• Brinamento: da gas a solido

Alla normale pressione di laboratorio, il riscaldamento spinge di solito una sostanza verso una maggiore libertà di movimento delle particelle, per esempio da solido a liquido o da liquido a gas. Ma la pressione può cambiare il risultato. Per questo un diagramma di fase richiede sia la temperatura sia la pressione.

Errori comuni sugli stati della materia

Confondere un cambiamento di stato con una trasformazione chimica

Se il ghiaccio fonde diventando acqua, non si tratta di una reazione chimica. Le molecole restano $H_2O$.

Pensare che le particelle in un solido non si muovano

In realtà si muovono. In un solido, il moto consiste soprattutto in vibrazioni attorno a posizioni fisse, invece che in un movimento libero attraverso il campione.

Supporre che un gas non abbia volume

Un campione di gas occupa un volume. Il punto chiave è che non mantiene un proprio volume fisso quando la dimensione del contenitore può cambiare.

Considerare il plasma solo come un "gas molto caldo"

Una temperatura elevata può produrre plasma, ma la distinzione importante è la ionizzazione. Il plasma contiene particelle cariche, e questo gli conferisce un comportamento diverso.

Dove si usa questa idea in chimica

Gli stati della materia compaiono presto nello studio della chimica perché sostengono molte idee successive: curve di riscaldamento, cambiamenti di fase, comportamento dei gas, modelli particellari e osservazioni di laboratorio.

Il concetto è importante anche fuori dalla lezione di chimica. Aiuta a spiegare perché i liquidi scorrono, perché i gas si comprimono più facilmente dei liquidi, perché la brina può formarsi direttamente dal vapore acqueo nelle giuste condizioni e perché fulmini e stelle coinvolgono il plasma.

Un modo rapido per verificare se hai capito

Prendi una sostanza e poni le stesse tre domande in ogni stato:

1. Mantiene una propria forma?
2. Mantiene un proprio volume?
3. Quanto liberamente si muovono le sue particelle?

Se sai rispondere a queste tre domande per il ghiaccio, l’acqua liquida e il vapore acqueo, di solito il concetto è abbastanza chiaro da poter essere usato in argomenti più avanzati.

Prova un caso simile

Prova una tua versione con l’anidride carbonica: confronta il ghiaccio secco, l’anidride carbonica gassosa e le condizioni in cui una si trasforma nell’altra. È un buon passo successivo perché ti costringe a pensare sia alla temperatura sia alla pressione, non solo al riscaldamento.