Gli stati della materia e i passaggi di stato

La materia che ci circonda si presenta in tre stati principali: solido, liquido e aeriforme. Un solido, come un sasso o un cubetto di ghiaccio, ha una forma propria e un volume proprio, che non cambiano se lo si sposta da un contenitore a un altro. Un liquido, come l'acqua o l'olio, ha un volume proprio ma non una forma propria: prende la forma del recipiente che lo contiene. Un aeriforme, come l'aria o il vapore acqueo, non ha né forma né volume propri e tende a occupare tutto lo spazio disponibile.

Per spiegare queste differenze gli scienziati usano il modello particellare. Secondo questo modello ogni materia è formata da particelle piccolissime, impossibili da vedere a occhio nudo, che sono sempre in movimento. Nei solidi le particelle sono molto vicine e legate saldamente tra loro: possono solo vibrare restando quasi ferme nella loro posizione. Nei liquidi sono ancora vicine, ma i legami sono più deboli, quindi le particelle scorrono le une sulle altre. Negli aeriformi sono molto lontane, quasi non si attraggono e si muovono velocemente in tutte le direzioni.

Quando una sostanza viene riscaldata o raffreddata può cambiare stato. Questi cambiamenti si chiamano passaggi di stato e hanno nomi precisi. La fusione è il passaggio da solido a liquido, come il ghiaccio che si scioglie. La solidificazione è il passaggio da liquido a solido, come l'acqua che diventa ghiaccio nel congelatore. La vaporizzazione è il passaggio da liquido ad aeriforme e avviene in due modi: l'evaporazione, lenta e solo in superficie, e l'ebollizione, tumultuosa e in tutto il liquido, mentre la condensazione è il passaggio inverso, da aeriforme a liquido: ne è un esempio la condensa che si forma sullo specchio del bagno. Esistono anche la sublimazione, da solido ad aeriforme senza passare dal liquido, e il brinamento, il percorso opposto. La naftalina e il ghiaccio secco sono esempi di sublimazione.

Ogni sostanza pura cambia stato a temperature caratteristiche. La temperatura di fusione è quella alla quale un solido diventa liquido, mentre la temperatura di ebollizione è quella alla quale un liquido bolle e diventa aeriforme. Durante un passaggio di stato la temperatura resta costante, anche se si continua a fornire calore. Per esempio, mentre il ghiaccio fonde, la miscela di acqua e ghiaccio rimane alla stessa temperatura finché tutto il ghiaccio non si è sciolto. Sostanze diverse hanno temperature di fusione e di ebollizione diverse: per questo a temperatura ambiente il ferro è solido, l'acqua è liquida e l'ossigeno è un gas.

Il modello particellare spiega bene anche che cosa accade nei passaggi di stato. Quando si fornisce calore a un solido, le particelle vibrano sempre più velocemente, finché i legami si indeboliscono e il solido fonde. Continuando a scaldare il liquido, le particelle si muovono così rapidamente da staccarsi del tutto e la sostanza diventa aeriforme. Quando invece una sostanza si raffredda, le particelle rallentano, si avvicinano e si legano di nuovo. Il calore fornito durante un passaggio di stato non fa aumentare la temperatura, ma serve a rompere i legami tra le particelle.