Che cosa è la materia'?
La "materia" è tutto ciò che occupa spazio (ha volume) e ha massa. Costituisce ogni cosa nell'universo in qualche forma o forma; è tutto nell'universo. Costituisce il nostro pianeta e l'intero universo.
Sulla Terra tutta la materia esiste in tre diversi stati: solido, liquido o gassoso.
Sapevi che gli esseri umani sono costituiti da tutti e tre gli stati principali della materia?
Lo stato in cui esiste una sostanza a temperatura ambiente è chiamato stato standard. Ad esempio, a temperatura ambiente l’acqua esiste come liquido. Alcune sostanze esistono come gas a temperatura ambiente (ossigeno e anidride carbonica), mentre altre, come l'acqua, esistono come liquidi. La maggior parte dei metalli esistono come solidi a temperatura ambiente. Il mercurio ha l'interessante proprietà di essere sia un metallo che un liquido nel suo stato standard.
Ciascuno di questi stati è costituito da minuscole particelle. Lo stato della materia dipende dal numero di particelle di cui sono costituiti.
Solido
Qualcosa viene solitamente descritto come solido se può mantenere la propria forma ed è difficile da comprimere. Ad esempio, l'acqua in forma solida è ghiaccio. In un solido, le molecole sono strettamente legate tra loro e hanno un'alta densità.
Liquido
Un liquido come l'acqua può scorrere o scorrere ma non può essere allungato o schiacciato. Nei liquidi le molecole sono particolarmente vicine tra loro ma non così vicine come la materia solida; le molecole hanno la capacità di muoversi e scivolare l'una sull'altra. Una materia liquida non ha forma propria, assumerà la forma del contenitore che contiene. Esempi di liquidi sono acqua, latte, succo, benzina, limonata, ecc.
Gas
Il gas può fluire, espandersi e può essere compresso. L'acqua sotto forma di gas è vapore. Se è in un contenitore non sigillato scappa. Nei gas, le molecole sono molto più sparse che nei solidi o nei liquidi e si scontrano in modo casuale tra loro. Un gas riempirà qualsiasi contenitore, ma se il contenitore non è sigillato, il gas fuoriuscirà. Il gas può essere compresso molto più facilmente rispetto al liquido o al solido.
Cambiare gli stati della materia
La materia può esistere allo stato solido, liquido o gassoso e lo stato in cui si trova una sostanza può essere in gran parte determinato dalla sua temperatura. Ogni sostanza ha una temperatura soglia unica dopo la quale cambia stato. Dopo aver superato tale temperatura di soglia, la sostanza cambierà fase, modificando così lo stato della materia. In condizioni di pressione costante, la temperatura è il determinante principale della fase di una sostanza.
A seconda della sua temperatura, la materia può cambiare stato. Fusione, congelamento, ebollizione, evaporazione, condensazione, sublimazione e deposizione sono i modi in cui un materiale cambia stato.
A basse temperature, il movimento molecolare diminuisce e le sostanze hanno meno energia interna. Le molecole si stabilizzeranno in stati a bassa energia l'una rispetto all'altra e si muoveranno molto poco, il che è caratteristico della materia solida. All’aumentare della temperatura, alle parti costituenti di un solido viene applicata ulteriore energia termica, che provoca ulteriore movimento molecolare. Le molecole iniziano a spingersi l'una contro l'altra e il volume complessivo di una sostanza aumenta. A questo punto la materia è entrata allo stato liquido. Uno stato gassoso esiste quando le molecole hanno assorbito così tanta energia termica a causa dell'aumento della temperatura da essere libere di muoversi l'una attorno all'altra ad alta velocità.
Se la pressione è costante, lo stato di una sostanza dipenderà interamente dalla temperatura a cui è esposta. Per questo motivo il ghiaccio si scioglie se tolto dal congelatore e l'acqua fuoriesce dalla pentola se lasciata a temperatura troppo alta per troppo tempo. La temperatura è semplicemente una misura della quantità di energia termica presente nell’ambiente circostante. Quando una sostanza viene posta in un ambiente a temperatura diversa, viene scambiato calore tra la sostanza e l'ambiente circostante, facendo sì che entrambi raggiungano una temperatura di equilibrio. Pertanto, quando un cubetto di ghiaccio è esposto al calore, le sue molecole d'acqua assorbono energia termica dall'atmosfera circostante e iniziano a muoversi con maggiore energia, provocando la fusione del ghiaccio d'acqua in acqua liquida.
La fusione è il processo di trasformazione di un solido in un liquido. Quando un solido viene riscaldato, le particelle ricevono più energia e iniziano a vibrare più velocemente. Ad una certa temperatura, le particelle vibrano così tanto che la loro struttura ordinata si rompe. A questo punto il solido si scioglie in un liquido. La temperatura alla quale avviene il passaggio da solido a liquido è detta punto di fusione. Ogni solido ha un punto di fusione impostato alla normale pressione dell'aria. A una pressione atmosferica più bassa, come in montagna, il punto di fusione si abbassa.
L'evaporazione è il processo di trasformazione di un liquido in un gas. Se lasci un po' d'acqua in un contenitore a bocca larga, noterai che dopo un po' una parte dell'acqua scomparirà. L'acqua liquida si trasforma in gas (vapore acqueo): questa è l'evaporazione. Si verifica quando un liquido si trasforma in un gas molto al di sotto del suo punto di ebollizione. Ci sono sempre alcune particelle in un liquido che hanno abbastanza energia per liberarsi dal resto e diventare un gas.
La condensazione è il processo di trasformazione di un gas in un liquido. Ad esempio, il vapore acqueo presente nell'aria si raffredda e al mattino dopo una notte fredda si trasforma in minuscole gocce di acqua liquida (rugiada) sulle foglie e sulle finestre. Gli oggetti più freddi spesso assorbono energia dagli oggetti più caldi.
Il congelamento è il processo di trasformazione di un liquido in un solido. È il contrario dello scioglimento. Ad esempio, la lava è roccia liquida, che erutta attraverso un vulcano a temperature fino a 1.500 O C (2.732 O F). Tuttavia, la lava rovente si raffredda quando incontra la superficie terrestre e si trasforma nuovamente in solida roccia.
Ebollizione – Quando un liquido viene riscaldato, alle particelle viene data più energia. Cominciano a muoversi più velocemente e ad allontanarsi. Ad una certa temperatura, le particelle si staccano l'una dall'altra e il liquido si trasforma in gas. Questo è il punto di ebollizione. Il punto di ebollizione di una sostanza è sempre lo stesso; non varia. Ad esempio, l'acqua bolle quando raggiunge il punto di ebollizione di 100ºC (212ºF). Questa è la temperatura alla quale l'acqua si trasforma in vapore. Il vapore è un gas invisibile. Quando raggiunge il coperchio si raffredda tornando allo stato liquido.
La sublimazione è la conversione di un solido in un gas senza che diventi liquido. L'esempio più semplice di sublimazione potrebbe essere il ghiaccio secco. Il ghiaccio secco è anidride carbonica solida (CO2). Sorprendentemente, quando lasci il ghiaccio secco in una stanza, si trasforma in gas senza diventare liquido. Hai mai sentito parlare di anidride carbonica liquida? Può essere fatto, ma non in situazioni normali. Il carbone è un altro esempio di composto che non si scioglie alle normali pressioni atmosferiche. Sublimerà a temperature molto elevate.
La deposizione è la conversione di un gas in un solido. Si verifica quando un gas diventa solido senza passare attraverso lo stato liquido della materia. Più vicino ai poli si può vedere il gelo nelle mattine invernali. Quei piccoli cristalli di brina sulle piante si accumulano quando il vapore acqueo presente nell'aria diventa solido sulle foglie delle piante.
Cambiamenti chimici contro cambiamenti fisici
È importante comprendere la differenza tra cambiamenti chimici e fisici. I cambiamenti fisici riguardano solitamente lo stato fisico della materia e i cambiamenti chimici si verificano quando i legami molecolari vengono rotti o creati durante una reazione chimica. I cambiamenti chimici avvengono a livello molecolare.
Nessun cambiamento alle molecole
Allungare un elastico, riempire d'aria un palloncino o schiacciare una lattina sono tutti esempi di cambiamenti fisici. Questi sono cambiamenti solo nella forma degli articoli. Non ci sono cambiamenti nello stato della materia perché l'energia a livello molecolare non è cambiata. In un cambiamento fisico, non si verifica alcun cambiamento nelle molecole, le molecole sono sempre le stesse senza che si creino o si rompano nuovi legami chimici.
Allo stesso modo, lo scioglimento dei cubetti di ghiaccio, l’ebollizione dell’acqua o il congelamento dell’acqua liquida sono tutti cambiamenti fisici che apportano energia. I cambiamenti di fase o stato della materia, ad esempio da solido a liquido, da liquido a gas, da liquido a solido, sono tutti cambiamenti fisici. Azioni fisiche come il cambiamento della temperatura o della pressione possono causare cambiamenti fisici. Ad esempio, nello scioglimento del ghiaccio o nel congelamento dell'acqua liquida non avviene alcun cambiamento chimico, le molecole d'acqua sono ancora molecole d'acqua.
Cambiare le molecole
I cambiamenti chimici avvengono su scala molto più piccola. Sebbene alcuni esperimenti mostrino evidenti cambiamenti chimici, come il cambiamento di colore, la maggior parte dei cambiamenti chimici non sono visibili. Il cambiamento chimico quando il perossido di idrogeno (H2O2) diventa acqua non può essere visto poiché entrambi i liquidi sono limpidi. Tuttavia, dietro le quinte, miliardi di legami chimici vengono creati e distrutti. Quando il perossido di idrogeno si trasforma in acqua, si possono vedere bolle di gas ossigeno (O2). Quelle bolle sono la prova di cambiamenti chimici.
Sciogliere una zolletta di zucchero è un cambiamento fisico perché la sostanza è ancora zucchero. Bruciare una zolletta di zucchero è un cambiamento chimico. Il fuoco attiva una reazione chimica tra zucchero e ossigeno. L'ossigeno nell'aria reagisce con lo zucchero e i legami chimici si rompono.
Quando il ferro è esposto all'ossigeno presente nell'aria, il ferro arrugginisce. Questo processo può essere visto per un lungo periodo di tempo. Le molecole cambiano struttura man mano che il ferro viene ossidato, fino a diventare ossido di ferro. I tubi arrugginiti negli edifici abbandonati sono esempi reali del processo di ossidazione.
Il cambiamento può essere reversibile o irreversibile
Una modifica reversibile è una modifica che può essere modificata nuovamente. Ad esempio, se un cubetto di ghiaccio si scioglie diventa acqua ma possiamo congelarlo nuovamente per trasformarlo in un cubetto di ghiaccio in modo che possa ritornare al suo stato originale. La fusione e il riscaldamento sono esempi di cambiamenti reversibili.
Un cambiamento irreversibile è un cambiamento che non può essere ripristinato nuovamente. Ad esempio, se l'impasto di una torta viene cotto, diventa una torta e non possiamo trasformarlo nuovamente in un impasto. Il cambiamento è irreversibile perché ha avuto luogo una reazione chimica. Bruciare o mescolare un liquido con il bicarbonato di sodio è un esempio di cambiamenti irreversibili.
Una rapida istantanea di alcuni termini e dei relativi cambiamenti di fase:
Fusione/fusione – Da solido a liquido
Congelamento: da liquido a solido
Vaporizzazione/ebollizione – Da liquido a gas
Condensazione: da gas a liquido
Sublimazione: da solido a gas
Deposizione – Da gas a solido
