Gli Stati di Aggregazione della Materia

La materia si manifesta nell’universo macroscopico in differenti stati di aggregazione fisica, controllati dal bilancio termodinamico tra l’energia cinetica delle particelle (funzione diretta della temperatura assoluta T) e l’energia potenziale associata alle forze intermolecolari attrattive (interazioni elettrostatiche, dipolari, forze di van der Waals e legami a idrogeno).

I tre stati classici della chimica generale sono lo stato solido, lo stato liquido e lo stato aeriforme, a cui si aggiunge il quarto stato fondamentale della materia visibile nel cosmo: il plasma.

Lo Stato Solido: Ordine Reticolare e Stati Amorfi

Allo stato solido, l’energia potenziale delle forze intermolecolari prevale nettamente sull’energia cinetica di agitazione termica. Gli atomi, gli ioni o le molecole costituenti sono vincolati all’interno di posizioni spaziali d’equilibrio fisse e possono compiere esclusivamente moti oscillatori e vibratori attorno a tali coordinate. Per questa ragione macroscopica, un solido possiede forma geometrica propria e volume proprio, mostrando un’elevata resistenza alle deformazioni meccaniche e una comprimibilità praticamente nulla.

I solidi possono presentarsi sotto due differenti organizzazioni strutturali:

• Solidi cristallini: gli atomi o le molecole sono disposti in un’intelaiatura tridimensionale geometricamente ordinata e periodica a lungo raggio, denominata reticolo cristallino. Tale simmetria conferisce ai cristalli punti di fusione netti, isotropia o anisotropia fisica e proprietà termiche definite (esempi tipici sono il quarzo, il cloruro di sodio e il diamante).
• Solidi amorfi (o vetrosi): i costituenti mantengono un ordinamento geometrico a corto raggio (simile a quello riscontrabile nei liquidi viscosi), ma sono privi di periodicità e regolarità reticolare a lungo raggio. A causa di questa disomogeneità strutturale, i solidi amorfi non presentano un punto di fusione netto e isotermo, bensì rammolliscono gradualmente in un intervallo di temperatura variabile attraverso una transizione termica detta transizione vetrosa. Il vetro ordinario (silicati) e numerosi polimeri termoplastici appartengono a questa categoria.

Lo Stato Liquido: Coesione e Viscosità

Nello stato liquido, l’energia termica cinetica e le forze attrattive intermolecolari possiedono entità comparabili. Le particelle si trovano a distanze ravvicinate analoghe a quelle dello stato solido (rendendo il liquido quasi del tutto incomprimibile e dotato di un proprio volume definito), ma non sono vincolate a nodi reticolari fissi. Esse possono scorrere, traslare e ruotare continuamente le une rispetto alle altre.

Di conseguenza, i liquidi presentano forma indefinita, assumendo passivamente la conformazione del recipiente che li contiene pur preservando una superficie limite orizzontale sottoposta alla pressione esterna. L’attrito interno che si oppone allo scorrimento reciproco degli strati fluidi prende il nome di viscosità dinamica, parametro fortemente dipendente dalla natura delle interazioni intermolecolari e decrescente all’aumentare della temperatura.

Lo Stato Aeriforme: Gas Ideali, Vapori e Temperatura Critica

Nello stato aeriforme, l’energia cinetica media delle particelle supera enormemente l’energia delle forze intermolecolari di coesione, le quali divengono pressoché trascurabili a densità standard. Le particelle si muovono liberamente e caoticamente in linea retta a velocità elevate, occupando l’intero volume disponibile del contenitore mediante urti elastici contro le pareti, i quali generano la pressione macroscopica del fluido. Gli aeriformi non possiedono né forma propria né volume proprio e sono caratterizzati da un’elevatissima comprimibilità e da bassi valori di densità.

Sul piano della chimica fisica è necessario operare una rigorosa distinzione termodinamica all’interno degli aeriformi:

• Gas: un aeriforme che si trova a una temperatura superiore alla propria temperatura critica (T > T_c). Al di sopra di tale soglia termica, l’energia cinetica molecolare è tale che il gas non può essere liquefatto per sola compressione isoterma, qualunque sia l’entità della pressione idrostatica applicata al sistema.
• Vapore: un aeriforme che si trova a una temperatura inferiore alla propria temperatura critica (T < T_c). Una sostanza allo stato di vapore può essere trasformata nella fase liquida corrispondente mediante l’applicazione di una sufficiente pressione a temperatura costante (compressione isoterma).
• Fluido supercritico: quando una sostanza si trova a valori di temperatura e pressione simultaneamente superiori ai propri parametri critici (T > T_c e P > P_c), cessa ogni discontinuità fisica tra la fase liquida e la fase aeriforme. Il fluido supercritico mostra proprietà ibride peculiari: possiede densità comparabile a quella di un liquido e viscosità e diffusività paragonabili a quelle di un gas, trovando estesa applicazione nei processi industriali di estrazione selettiva (ad esempio con biossido di carbonio supercritico, scCO₂).

Il Plasma

Il plasma, spesso descritto come il quarto stato della materia, è un gas ad altissimo contenuto entalpico costituito da una miscela macroscopicamente neutra di elettroni liberi, ioni positivi atomici o molecolari e particelle neutre eccitate. Si genera per energica ionizzazione termica o collisionale a temperature di migliaia o milioni di gradi Kelvin, oppure sotto l’azione di intensi campi elettromagnetici ad alto voltaggio.

Sebbene sulla superficie terrestre sia riscontrabile allo stato naturale unicamente nei canali di scarica dei fulmini e nell’alta ionosfera (aurore polari), il plasma costituisce oltre il 99% della materia barionica osservabile dell’universo stellare, componendo il nucleo e le atmosfere delle stelle e il mezzo intergalattico.

Riepilogo delle Proprietà degli Stati della Materia