Stati della materia

Solido, liquido, gas — è tutta questione di quanto veloci si muovono le particelle

Livello Base — linguaggio semplice, senza matematica

Ghiaccio, acqua, vapore — tre cose completamente diverse, eppure sono tutte esattamente la stessa sostanza: \(H_2O\). L'unica differenza è quanta energia hanno le minuscole particelle e quanto strettamente si tengono l'una all'altra. Aggiungi calore e non cambi cosa sono le particelle, le fai solo agitare più velocemente. È tutto qui il segreto dei tre stati della materia.

In un solido le particelle sono impacchettate in uno schema ordinato e fisso, vibrando solo sul posto — così un solido mantiene la sua forma. Aggiungi calore e vibrano più forte finché si liberano dalle loro file e cominciano a scivolare l'una accanto all'altra: ora è un liquido, che scorre e prende la forma del suo contenitore ma mantiene lo stesso volume. Scaldalo ancora e le particelle si strappano completamente l'una dall'altra e volano libere, rimbalzando sulle pareti — un gas, che si spande a riempire qualsiasi spazio gli venga dato.

I salti fra gli stati hanno dei nomi: fusione e solidificazione (solido ↔ liquido), ebollizione e condensazione (liquido ↔ gas). Ecco una sorpresa: mentre qualcosa fonde o bolle, la sua temperatura non sale affatto, anche se continui a scaldarlo. Tutta quell'energia va a rompere i legami tra le particelle, non ad accelerarle. È per questo che una pentola d'acqua che bolle resta bloccata a 100 °C per quanto tu alzi il fornello.

Moto delle particelle, cambiamenti di stato e calore latente

Livello Studente — le equazioni principali

La teoria cinetica dice che la materia è fatta di particelle in moto costante, e la temperatura è semplicemente una misura della loro energia cinetica media. Lo stato dipende da un braccio di ferro fra quel moto (che sparpaglia le particelle) e le forze attrattive fra loro (che le tengono insieme). Solido: vincono le forze, particelle bloccate in un reticolo, solo vibranti. Liquido: quasi pareggio, particelle a contatto ma mobili. Gas: vince il moto, particelle lontane e indipendenti.

Scaldare un solido segue una curva di riscaldamento: la temperatura sale costantemente, si appiattisce al punto di fusione, sale attraverso il liquido, si appiattisce al punto di ebollizione, poi sale attraverso il gas. I tratti piatti sono i cambiamenti di stato, e lì l'energia aggiunta — il calore latente — va interamente a vincere le forze intermolecolari, non ad alzare la temperatura. È perché le ustioni da vapore sono così gravi: il vapore che condensa scarica un grande calore latente dritto sulla tua pelle.

Conta anche la pressione, non solo la temperatura. Comprimi un gas abbastanza forte e liquefà; abbassa la pressione e un liquido bolle a una temperatura più bassa (ed è per questo che l'acqua bolle sotto i 100 °C in montagna). Un diagramma di fase mappa quale stato esiste a ogni pressione e temperatura, incluso il punto triplo (tutti e tre coesistono) e il punto critico (oltre il quale liquido e gas diventano una cosa sola).

Teoria cinetica, diagrammi di fase e gli stati oltre i tre principali

Livello Esperto — profondità matematica completa

01Teoria cinetico-molecolare

Le particelle sono in moto incessante con una distribuzione di velocità di Maxwell-Boltzmann; la temperatura fissa la media, ma c'è sempre una dispersione. Quella dispersione è il motivo per cui l'evaporazione avviene ben sotto l'ebollizione: le molecole più veloci sfuggono dalla superficie, portando via energia e raffreddando ciò che resta — esattamente come il sudore ti raffredda.

02Le forze intermolecolari fissano le transizioni

I punti di fusione ed ebollizione riflettono la forza dei legami fra le particelle — van der Waals < dipolo < legame a idrogeno < ionico o metallico. Il punto di ebollizione dell'acqua è sorprendentemente alto per una molecola così piccola a causa del legame a idrogeno, lo stesso legame che distanzia le molecole nel ghiaccio e lo fa galleggiare.

03Il diagramma di fase

Una mappa pressione-temperatura divide solido, liquido e gas con linee di coesistenza. Due punti sono speciali: il punto triplo, l'unica P e T in cui tutti e tre coesistono, e il punto critico, oltre il quale la distinzione liquido-gas si dissolve in un unico fluido supercritico. I calori latenti sono le energie necessarie per attraversare ciascuna linea.

04Oltre i tre principali

C'è il plasma — gas ionizzato, e lo stato più comune nell'universo visibile — e, vicino allo zero assoluto, stati genuinamente quantistici: i condensati di Bose-Einstein, in cui gli atomi si fondono in un unico stato quantistico condiviso, e i superfluidi e i superconduttori che scorrono o conducono con resistenza nulla. "Stato della materia" è un'idea assai più ricca dei tre che incontriamo per primi.