La materia: definizione e proprietà

Tutto ciò che ha massa e occupa uno spazio viene definito “materia”. La massa e il volume sono solo due delle innumerevoli proprietà fisiche della materia. Le proprietà fisiche (colore, densità, punto di fusione, punto di ebollizione, viscosità, conducibilità elettrica, ecc..) si distinguono dalle proprietà chimiche (tutte le reazioni a cui una specie chimica può partecipare) in quanto le prime (le proprietà fisiche), a differenza delle altre (le proprietà chimiche), non mutano la composizione della materia. In altre parole, le proprietà chimiche, anziché quelle fisiche, trasformano la materia mediante rottura dei legami chimici intramolecolari e formazione di nuovi legami e quindi di nuove identità chimiche (reagenti trasformati in prodotti). Nella pratica, i chimici analizzano le proprietà chimiche e fisiche per identificare e classificare le sostanze in maniera inequivocabile. Solo l’acqua, per esempio, bolle a 100°C e fonde a 0°C a pressione atmosferica.

Alcune proprietà fisiche della materia sono osservabili. L’acqua è incolore e inodore. Inoltre, si presenta in tre stati fisici: vapore acqueo (stato gassoso), acqua liquida (stato liquido) e ghiaccio (stato solido). Più in generale, gli stati fisici sono detti stati di aggregazione della materia. Una data sostanza chimica, se può esistere stabilmente in qualunque dei tre stati di aggregazione (fermo restando che una sostanza può esistere anche in un quarto stato, detto plasma, simile a un gas e fatto di particelle cariche), può passare da uno stato all’altro (passaggi di stato) variando la temperatura. In accordo con la teoria cinetico-molecolare, aumentando la temperatura del sistema aumenta anche l’energia cinetica (il movimento) delle particelle che costituiscono la sostanza. L’aumento dell’energia cinetica comporta che le forze che tendono ad allontanare le particelle prevalgano sulle forze di coesione, le quali tendono di contro a far attrarre le particelle tra loro. Nei gas, le particelle si muovono in modo casuale, senza vincoli, e riempiono tutto lo spazio disponibile perché non ci sono forze di coesione in gioco. Pertanto i gas non sono dotati né di forma né di volume propri. Nei liquidi, si esercitano deboli forze attrattive tra le particelle. Pertanto, pur non avendo forma definita, i liquidi hanno volume proprio. Nei solidi, invece, le forze di coesione tra le particelle sono nettamente superiori alle forze che tendono a separarle. Le particelle vibrano intorno alla posizione di equilibrio, conferendo al solido forma e volume propri.

Passaggi di stato della materia (fonte immagine: Siyavula Education, via Flickr)
Stati di aggregazione e passaggi di stato della materia (fonte immagine: Siyavula Education, via Flickr)

Altre proprietà fisiche, come la massa e il volume, si possono misurare. Misurare una proprietà fisica significa quantificare tale proprietà, descriverla tramite grandezze fisiche. La quantificazione consiste nel misurare una grandezza fisica e misurare significa riportare un valore numerico e farlo seguire da un’unità di misura di riferimento. Per facilitare lo scambio di informazioni, gli scienziati hanno scelto il Sistema Internazionale di unità di misura (SI) come sistema di riferimento ufficiale per l’intera comunità scientifica. Esso è costituito da sette grandezze fisiche fondamentali, ciascuna con la propria unità di misura. Combinando le grandezze fondamentali mediante operazioni aritmetiche di moltiplicazione e/o divisione, si ricavano le grandezze fisiche derivate (ciascuna con la relativa unità di misura).

Grandezze fondamentali e derivate del Sistema Internazionale di unità di misura (SI)
Grandezze fondamentali e derivate del Sistema Internazionale di unità di misura (SI)

Come classifichiamo le grandezze fisiche? Una modalità è suddividere le grandezze che dipendono dalla quantità di sostanza (per esempio la massa e il volume) da quelle che non dipendono da tale quantità (per esempio la densità, il punto di fusione e il punto di ebollizione). Le grandezze che rientrano nella prima categoria sono dette grandezze estensive, le altre sono dette grandezze intensive. Le grandezze intensive sono particolarmente utili per identificare le sostanze chimiche proprio perché sono caratteristiche uniche di tali sostanze a prescindere dalla loro quantità. Un altro modo di classificare le grandezze fisiche è distinguerle in grandezze scalari e grandezze vettoriali. Le grandezze scalari sono definite da un numero reale associato alla propria unità di misura. Le grandezze vettoriali sono definite da un modulo (intensità), una direzione e un verso. La massa è un esempio di grandezza scalare. Il peso (spesso confuso con la massa) è invece una grandezza vettoriale. La massa è una grandezza fondamentale, si misura in kilogrammi (kg) e descrive la capacità di un corpo di opporsi al cambiamento del suo stato di quiete (inerzia). Il peso è un tipo di forza in quanto, in accordo con la seconda legge della dinamica, deriva dal prodotto tra la massa (di un oggetto) e l’accelerazione (di gravità). Si esprime in newton (N) nel SI e misura la forza con la quale un corpo è attratto dalla Terra per effetto, appunto, della gravità. La forza e l’accelerazione sono classici esempi di grandezze derivate e vettoriali.

 

Fonte immagine in evidenza: Kuebi, via Wikimedia Commons

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