Tutto ciò che ci circonda — l’aria, l’acqua, il banco, il tuo astuccio — è materia. Ma perché un sasso mantiene la sua forma, l’acqua prende la forma del bicchiere e l’aria riempie tutta la stanza? E perché una gomma da bicicletta gonfia è dura come un sasso, se dentro c’è solo aria?

Simulatore PhET sullo stato della materia

Indicazioni

• scegli “stati”
• scegli un elemento o una molecola
• esplorane gli stati (solido, liquido, gas)
• controlla la temperatura
• osserva il movimento delle molecole
• aggiungi o sottrai calore usando il dispositivo in basso

Scegli “Cambiamenti di fase”

1. Cosa succede alla pressione e alla temperatura di un gas quando viene riscaldato?
2. Cosa succede alla pressione di un gas quando ne aumento il numero di molecole?
3. Cosa succede alla pressione e alla temperatura se comprimo il gas?

Schema da completare

Scarica e stampa lo schema in formato pdf, e completalo con i seguenti termini:

GASSOSO – TEORIA ATOMICA – PRESSIONE – SOLIDO –

STATI DELLA MATERIA – LIQUIDO

 

Esercizi interattivi

 

Gli stati della materia e proprietà dei gas

Tutto ciò che ci circonda — l’aria, l’acqua, il banco, il tuo astuccio — è materia. Ma perché un sasso mantiene la sua forma, l’acqua prende la forma del bicchiere e l’aria riempie tutta la stanza? E perché una gomma da bicicletta gonfia è dura come un sasso, se dentro c’è solo aria?

Per rispondere dobbiamo immaginare la materia da vicinissimo, molto più in piccolo di quanto l’occhio possa vedere.

 

La teoria atomica: la materia è fatta di particelle in movimento

Da più di duecento anni gli scienziati spiegano il comportamento della materia con un’idea semplice e potentissima:

La materia è formata da particelle piccolissime — atomi e molecole — che sono sempre in movimento.

Due cose importanti:

• Le particelle non stanno mai ferme, nemmeno dentro un blocco di ghiaccio o in una sbarra di acciaio.
• La temperatura ci dice quanto velocemente si muovono, in media, queste particelle. Più sono veloci (cioè più energia di movimento hanno), più alta è la temperatura. Scaldare un oggetto significa proprio far muovere più velocemente le sue particelle; raffreddarlo significa rallentarle.

Tra le particelle agiscono inoltre delle forze di attrazione, che tendono a tenerle unite. È dalla sfida tra queste due cose — il movimento che le separa e l’attrazione che le tiene insieme — che nascono i tre stati della materia.

 

I tre stati della materia

Stato solido

Ha forma propria e volume proprio: un chiodo resta un chiodo, in qualunque scatola lo metti.

Le particelle:

• sono disposte in posizioni precise e ordinate, molto vicine tra loro;
• sono tenute ferme da forze di attrazione molto forti;
• vibrano continuamente attorno alla loro posizione, senza spostarsi. Più alta è la temperatura, più ampia e veloce è la vibrazione.

Un solido non si può comprimere: le particelle sono già “a contatto”, non c’è spazio vuoto da eliminare.

Stato liquido

Non ha forma propria (prende la forma del recipiente) ma ha volume proprio: mezzo litro d’acqua resta mezzo litro, sia in una bottiglia sia in una bacinella.

Le particelle:

• sono ancora molto vicine, ma non occupano posizioni fisse: scivolano le une sulle altre (per questo un liquido scorre);
• sono tenute insieme da forze di attrazione più deboli di quelle dei solidi, ma ancora efficaci;
• se si fornisce calore, si muovono e scorrono più velocemente (infatti l’olio caldo è più fluido dell’olio freddo).

Anche un liquido è praticamente incomprimibile.

Stato gassoso

Non ha né forma propria né volume proprio: un gas occupa tutto lo spazio disponibile nel recipiente che lo contiene.

Le particelle:

• sono molto distanti tra loro (in un gas c’è soprattutto spazio vuoto!);
• si muovono in modo veloce e disordinato, in tutte le direzioni, urtandosi tra loro e contro le pareti;
• risentono di forze di attrazione così deboli da poter essere trascurate;
• se si fornisce calore, aumentano la loro velocità.

Proprio perché tra le particelle c’è tanto spazio vuoto, un gas si può comprimere: è questa la proprietà che rende possibili le bombole, gli pneumatici e le siringhe.

 

La pressione di un gas

Le particelle di un gas colpiscono continuamente le pareti del recipiente. Ogni urto è una spintarella minuscola, ma gli urti sono miliardi di miliardi ogni secondo: il risultato è una spinta continua e uniforme, distribuita su tutta la superficie interna.

La pressione di un gas misura quanto forte, tutte insieme, le particelle spingono su ogni unità di superficie delle pareti del recipiente, urtandole in continuazione.

In formula, la pressione è la forza divisa per la superficie su cui agisce:

p = F / S

Si misura in pascal (Pa) nel Sistema Internazionale;

1 Pa = 1 N / 1 mq

Nella vita di tutti i giorni si usano spesso l’atmosfera (atm). L’aria che ci circonda, a livello del mare, esercita una pressione di circa 1 atm (≈ 100.000 Pa).

 

Come si può aumentare la pressione di un gas contenuto in un recipiente

Ci sono tre modi, e tutti e tre si spiegano con gli urti delle particelle.

a) Aggiungendo gas (per esempio con una pompa)

A parità di volume del recipiente e di temperatura, se aumenta il numero di particelle aumenta anche il numero di urti contro le pareti in ogni secondo. Più urti = più pressione. È quello che facciamo quando gonfiamo una ruota.

b) Fornendo calore (scaldando il recipiente)

Scaldare significa rendere le particelle più veloci. Particelle più veloci colpiscono le pareti più spesso e con più forza: gli urti diventano più frequenti e più intensi, e la pressione sale. Per questo sulle bombolette è scritto “non esporre al sole” e per questo una lattina chiusa può scoppiare se scaldata.

c) Comprimendo il gas (riducendo il volume)

Se spingiamo verso il basso il coperchio del recipiente, succedono due cose insieme:

• le particelle hanno meno spazio a disposizione, quindi colpiscono le pareti più spesso;
• il coperchio che scende dà una spinta alle particelle che rimbalzano su di esso (un po’ come una racchetta da ping-pong che va incontro alla pallina): le particelle diventano più veloci, e quindi colpiscono le pareti anche con più forza.

Per questo un gas compresso si scalda (lo senti se tocchi la pompa della bicicletta dopo aver gonfiato una ruota), e la pressione aumenta ancora di più: sia perché gli urti sono più frequenti, sia perché sono più energici.

 

Attività guidata con il simulatore PhET

Useremo la simulazione gratuita “Stati della materia” dell’Università del Colorado:

👉 phet.colorado.edu — Stati della materia

Apri il link su computer o tablet. In basso trovi le schede della simulazione: la prima serve per osservare i tre stati, la seconda (quella con la pompa, il manometro e il coperchio) per studiare la pressione.

Scrivi le risposte sul quaderno: prima prova a prevedere cosa succederà, poi verifica con il simulatore.

 

Parte 1 — Riconoscere i tre stati (prima scheda)

• Scegli la sostanza Neon e premi il pulsante Solido. Osserva le particelle per qualche secondo: stanno ferme? Descrivi il loro movimento e la loro disposizione con due aggettivi.
• Passa a Liquido e poi a Gassoso, osservando ogni volta. Completa sul quaderno questa tabella:

 

	Distanza tra le particelle	Sono ordinate?	Come si muovono
Solido
Liquido
Gassoso

 

• Torna allo stato solido e usa il comando del calore (Caldo) per scaldare lentamente. Osserva il termometro. Che cosa succede alle particelle prima che il solido si trasformi in liquido? E che cosa succede alla loro disposizione nel momento del passaggio di stato?
• Ora raffredda il gas fino a farlo tornare liquido e poi solido. Descrivi a parole, come se lo spiegassi a un compagno, che cosa “fa” il raffreddamento alle particelle.
• Ripeti con l’Acqua: il comportamento è identico a quello del neon oppure noti qualche differenza?

Parte 2 — La pressione del gas (seconda scheda)

Porta la sostanza allo stato gassoso e tieni d’occhio due strumenti: il manometro (in alto a sinistra, indica la pressione) e il termometro (indica la temperatura).

• Aggiungere particelle. Usa la pompa a sinistra per immettere gas, poche pompate alla volta. Che cosa fa il manometro? Perché? (Osserva anche il termometro: che cosa noti?)
• Scaldare. Ferma la pompa e scalda il recipiente. Registra la temperatura e la pressione prima e dopo. Che cosa è cambiato nel movimento delle particelle? Completa: «Gli urti contro le pareti sono diventati più ______ e più ______».
• Raffreddare. Prevedi prima sul quaderno: se ora raffreddo, la pressione salirà, scenderà o resterà uguale? Poi verifica.
• Comprimere. Trascina il coperchio verso il basso per ridurre il volume. Che cosa succede alla pressione? Spiega il fenomeno usando la parola urti. Guarda anche il termometro: che cosa accade se spingi il coperchio di colpo?
• Sfida finale. Continua a pompare gas nel recipiente senza fermarti e osserva che cosa succede al coperchio. Che cosa rappresenta, nella realtà, quello che hai appena visto? Fai un esempio di oggetto in cui questo può accadere davvero.

Ripassa con tre domande

1. Perché un gas si può comprimere mentre un liquido no?
2. Una bomboletta spray lasciata al sole può scoppiare: spiega perché, parlando di particelle e di urti.
3. Gonfiando la ruota della bici, il corpo della pompa si scalda. Come lo spieghi, pensando agli urti delle particelle?

 

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