La materia è tutto ciò che occupa spazio e ha massa. Tutti gli oggetti fisici sono composti di materia, e una proprietà facilmente osservabile della materia è il suo stato o fase. Gli stati classici della materia sono solido, liquido e gas. Esistono diversi altri stati, tra cui il plasma e il condensato di Bose-Einstein, ma sono gli stati classici che possono passare direttamente a uno qualsiasi degli altri stati classici.
Per esempio, un cubetto di ghiaccio (acqua solida) lasciato su un banco a temperatura ambiente si trasforma rapidamente in acqua liquida, mentre un getto di vapore (acqua gassosa) dal becco di un bollitore bollente si trasforma in acqua liquida quando viene diretto su una superficie fredda.
Classificazione della materia
Un altro modo di pensare alla materia è dal punto di vista del chimico. Il seguente diagramma mostra un modo di classificare la materia tenendo ben presenti gli elementi e i composti.
Per vedere come funziona questo sistema di classificazione, prendiamo due esempi:
- Come rientra il latte in questo sistema? Il latte ha una composizione uniforme ed è una soluzione (omogenea). Filtrando il latte si separano i solidi sospesi (proteine e lipidi), lasciando un liquido chiaro. L’applicazione di varie tecniche di separazione a questo liquido produce numerose categorie di composti chimici. Il latte è una miscela complessa di sostanze.
- Come si inserisce la sabbia della spiaggia dorata in questo sistema? La maggior parte dei grani della sabbia dorata della spiaggia sono feldspati chiari o quarzo chiaro. La sabbia di spiaggia ha una composizione non uniforme, ma i grani possono essere fisicamente separati in gruppi di minerali. I minerali della sabbia sono composti chimici.
Teoria cinetico-molecolare della materia
Solidi, liquidi e gas hanno ciascuno le loro proprietà caratteristiche. Per spiegare come queste proprietà si formano, è stata sviluppata la teoria cinetico-molecolare.
Secondo questa teoria, tutta la materia è fatta di particelle estremamente piccole (atomi, molecole o ioni), che sono in costante movimento:
- Nei solidi, queste particelle sono strettamente impacchettate insieme, di solito in una serie regolare, e vibrano avanti e indietro.
- Nei liquidi, le particelle sono ancora strettamente impacchettate, ma oltre a vibrare, possono muoversi l’una sull’altra e tra di loro.
- Nello stato gassoso, le particelle sono distanziate l’una dall’altra e si muovono con un movimento rapido e casuale.
Per ognuno di questi stati, più alta è la temperatura, più velocemente si muovono le particelle.
Relazioni tra gli stati della materia
Gli stati classici della materia (solido, liquido e gas) possono passare direttamente a qualsiasi altro stato classico. Aggiungendo calore al sistema o rimuovendo calore dal sistema si può ottenere questo risultato.
Altri due stati della materia
Quando un gas viene riscaldato a temperature molto alte, gli atomi gassosi vengono privati dei loro elettroni esterni. Questo crea un gas “ionizzato” che consiste in un mix altamente energetico di ioni positivi, elettroni e atomi. Il gas è stato convertito in plasma, spesso indicato come il “quarto stato della materia”.
Negli anni 20, due scienziati, Satyendra Bose e Albert Einstein, predissero l’esistenza di uno stato della materia all’estremo della bassa energia della scala delle temperature. Hanno chiamato questo stato ‘condensato di Bose-Einstein’. Ci sono solo pochi elementi selezionati e particelle subatomiche che possono raggiungere questo stato. Solo nel 1995 due scienziati, Cornell e Weiman, sono stati in grado di creare questo condensato a partire da atomi di rubidio.
Natura della scienza
In termini scientifici, una teoria implica che qualcosa è stato provato ed è generalmente accettato come vero. Le teorie scientifiche sono sistemi di spiegazione ben stabiliti, altamente comprovati e internamente coerenti. La teoria cinetico-molecolare della materia fornisce un tale sistema di spiegazione delle proprietà osservate della materia.