Struttura della materia

Come vedremo meglio in seguito, la materia è costituita da atomi. I concetti di atomo, molecola e composto sono più o meno familiari, ma lo studente di chimica deve imparare a definirli in maniera precisa e univoca.

Una porzione omogenea di materia formata da atomi della stessa specie costituisce una sostanza elementare, o elemento.

Una porzione omogenea di materia formata da due o più specie di atomi costituisce invece un composto.
L'atomo è la più piccola parte di un elemento che entra come parte intera e indivisibile nella costituzione della materia.

La molecola è la più piccola parte di un elemento o di un composto che può esistere in natura. Le molecole possono essere costituite da un solo atomo, da due o più atomi uguali, o da atomi diversi in rapporti ben definiti (composti).

Lo ione è un atomo o un gruppo di atomi che porta cariche positive o negative.

Stati fisici della materia

La materia si può presentare in diversi stati fisici, o stati di aggregazione. Essi sono il risultato di due proprietà caratteristiche delle particelle che costituiscono la materia:

a) il movimento (moto rettilineo uniforme), detto anche moto di traslazione, espressione dell'energia cinetica di cui le particelle sono dotate;

b) le forze di reciproca interazione, che conferiscono alle particelle una energia potenziale, da mettere in relazione con la natura stessa delle particelle e con la loro distanza. Tali forze possono essere di natura elettrostatica, legami a ponte di idrogeno, forze di Van der Waals, etc.

L'energia cinetica è in relazione diretta con la temperatura; le forze di attrazione, oltre a dipendere da diversi parametri (struttura, composizione, etc), sono spesso correlate con la pressione. A seconda del tipo di energia che prevale (cinetica o potenziale), la materia si può presentare in tre diversi stati di aggregazione: gassoso, liquido, solido. Modificando opportunamente i parametri che agiscono su un sistema, si può avere la trasformazione fisica del suo stato di aggregazione (passaggio di stato).

• GAS: Allo stato gassoso la materia è presente in forma di molecole. L'energia cinetica è tale da vincere le forze di interazione intermolecolari e quindi esse sono in grado di muoversi liberamente in tutto lo spazio a disposizione. Un gas non ha né forma, né volume propri.
   
• LIQUIDO: Allo stato liquido le interazioni fra le particelle (molecole o ioni) hanno un energia tale da limitare i movimenti traslazionali. Restano tuttavia possibili i moti rotazionali. Un liquido ha un volume proprio, ma non una forma propria e infatti tende ad assumere la forma del recipiente che lo contiene. I liquidi sono virtualmente incomprimibili.
   
• SOLIDO: Allo stato solido le interazioni sono piuttosto forti, tanto che i moti traslazionali e rotazionali sono impediti. Le particelle (molecole, ioni o atomi) occupano posizioni fisse nello spazio (es. reticolo cristallino) e gli unici movimenti consentiti sono piccole oscillazioni (vibrazioni) intorno a queste posizioni. I solidi hanno sia un volume che una forma definiti.

Le definizioni appena dateci offrono anche l'opportunità di ampliare il nostro glossario chimico.

Un termine di uso frequente, specialmente in termodinamica, è quello di sistema. Si definisce così una porzione delimitata dell'universo, alla quale ci riferiamo per le nostre osservazioni o le nostre considerazioni. Un sistema può avere dimensioni assai variabili, dall'infinitamente piccolo all'infinitamente grande.

Tutto ciò che circonda il sistema si definisce ambiente: sistema e ambiente costituiscono l'universo. È dall'ambiente che si effettuano osservazioni sul sistema.
Ogni sistema può essere costituito da una o più fasi. Si definisce fase un sistema uniforme, sia chimicamente che fisicamente. Una fase è distinta da limiti netti, ben definiti.
Quando un sistema è costituito da un'unica fase, si dice omogeneo; quando è costituito da due o più fasi, si definisce eterogeneo.

Una pentola in ebollizione è un sistema eterogeneo, in quanto, pur essendo costituito da un'unica sostanza, l'acqua, questa è presente in due stati fisici (due fasi) diversi: liquido e vapore.

Un sistema omogeneo non è necessariamente costituito da un'unica sostanza pura. Una porzione di materia si dice infatti omogenea, quando si presenta con una composizione chimica costante in ogni suo elemento di volume. L'aria è un sistema omogeneo, ma rappresenta una miscela; è infatti formata dai gas azoto, ossigeno, anidride carbonica, vapore acqueo, etc.

Anche sciogliendo del cloruro di sodio in acqua, otteniamo una miscela omogenea. In ogni elemento di volume di questa miscela troviamo infatti lo stesso numero di molecole di H₂O, lo stesso numero di ioni Na⁺ e lo stesso numero di ioni Cl^-. Viceversa, se mettiamo della sabbia in acqua, otteniamo una miscela eterogenea.

Le miscele omogenee, qualunque sia la natura dei suoi componenti, si dicono soluzioni. L'aria che respiriamo è una soluzione, l'acqua 'salata' è una soluzione, una lega metallica è una soluzione.