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FISICA E CHIMICA PREREQUISITI Saper osservare e descrivere fatti e fenomeni Saper collocare nel tempo e nello spazio
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Materia e stati di aggregazione
OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il significato di materia, sostanze e corpi La differenza dei concetti di massa e peso e di densità e peso specifico La teoria atomica della materia Gli stati di aggregazione della materia e le loro caratteristiche LIBRO DIGITALE
video I PASSAGGI video DI STATO
Ciò che saprai fare Riconoscere le caratteristiche della materia, delle sostanze e dei corpi Distinguere gli stati di aggregazione della materia Individuare proprietà, caratteristiche e differenze dei tre stati di aggregazione
Perc Percorso di st studio
Il nostro corpo è fatto di materia. Ma che cosa è la materia?
Peso 42 kg ma ho saputo che sulla Luna peserei appena 7 kg. Perché? Ho ver versato dell’acqua per dell’ac terra. Perché si è sparsa sp subito su tutto il pavimento?
Soffiando in un palloncino l’ho riempito d’aria, ma il palloncino è scoppiato… Dove è andata a finire l’aria che c’era dentro?
Materia, sostanze e corpi
Massa e peso
La teoria atomica della materia
Densità e peso specifico
Gli stati di aggregazione
Che cosa caratterizza i tre stati?
Stati intermedi della materia
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FISICA E CHIMICA
Materia, sostanze e corpi Se osservi ciò che ti circonda, ti accorgi di avere vicino un’infinità di cose straordinariamente diverse fra loro nella forma, nel materiale di cui sono fatte, nel colore, nelle dimensioni… Eppure tutte, ma proprio tutte, hanno una cosa in comune. Tutto ciò che ci circonda è costituito infatti da un’unica e identica cosa, la materia: l’acqua, l’aria, un albero, un libro, un animale, il tuo stesso corpo sono fatti di materia. Ma che cos’è la materia, questa “cosa” che accomuna corpi tanto diversi fra loro? Materia è tutto ciò che occupa uno spazio e che puoi percepire con i tuoi sensi.
Se inserisci un cubetto di ghiaccio in un bicchiere colmo di acqua fino all’orlo, l’acqua fuoriesce per lasciare posto al cubetto di ghiaccio. Acqua e ghiaccio non possono infatti occupare lo stesso spazio.
Il peso del sasso e il peso dello stesso sasso sbriciolato sono uguali. Il sasso ha quindi una sua massa, che non varia anche se viene deformato.
Diciamo che: Materia è tutto ciò che occupa uno spazio ben preciso, che non può essere occupato contemporaneamente da altra materia, ovvero, la materia è impenetrabile, ha una massa e quindi un suo peso.
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La materia che costituisce la bottiglia è diversa da quella che costituisce il libro o il tavolo. È vetro la materia che costituisce la bottiglia, carta quella del libro e legno quella del tavolo. Vetro, carta, legno, ferro, plastica… sono le diverse forme sotto cui si presenta la materia e sono dette sostanze. Una parte limitata di materia o di sostanza forma i corpi che ci circondano. Il legno con cui è stato costruito il tavolo o la carta che forma il libro derivano, come sai, da un essere vivente (le piante), mentre il vetro che costituisce la bottiglia deriva da un minerale (la sabbia). • Le diverse forme sotto cui si presenta la materia sono le sostanze. • Le sostanze di origine animale o vegetale si dicono sostanze organiche. • Le sostanze di origine minerale si dicono sostanze inorganiche.
Il pallone, il tavolo o la pinzetta sono corpi formati da una sola sostanza. Il pallone è di cuoio, la scrivania di legno e la pinzetta di acciaio.
Una scarpa o una lente di ingrandimento sono corpi formati da più sostanze. La scarpa ha parti in gomma e altre in pelle, la lente di ingrandimento ha una parte in acciaio, una di vetro e un’altra ancora in legno.
• I corpi costituiti da una sola sostanza si chiamano corpi omogenei. • I corpi costituiti da più sostanze si chiamano corpi eterogenei.
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Massa e peso Un corpo ha quindi una massa e un peso. Ma che cosa sono esattamente queste due grandezze? La massa di un corpo è la quantità di materia che lo costituisce; essa è perciò costante in qualunque luogo avvenga la sua misurazione. Sulla Terra o in un altro punto qualsiasi dello spazio, la quantità di materia che costituisce un determinato corpo è infatti sempre la stessa. L’unità di misura della massa è il chilogrammo-massa (kgm), che è la massa del campione di platino-iridio conservato nel Museo di Pesi e Misure di Sèvres, presso Parigi. Lo strumento per misurarla è la bilancia a due piatti. La misurazione della massa di un corpo avviene per confronto con la massa campione: se, ponendo sui piatti della bilancia la massa campione e il corpo di cui si vuole misurare la massa, la bilancia è in equilibrio, la massa campione ci dà la misura della massa del corpo.
Poiché la bilancia è in equilibrio con un peso campione di 20 g, la massa della palla di polistirolo è 20 g. corpo di cui misurare la massa
peso campione
Poiché la bilancia è in equilibrio con un peso campio100 g, la massa della palla di gomma è 100 g.
o di cui ne di surare massa
corpo di cui misurare la massa
peso campione
peso campione
20
100
Il peso, o più esattamente la forza peso, di un corpo è la forza con cui la sua massa è attratta verso il centro della Terra dalla forza di gravità che agisce in ogni punto della superficie terrestre. L’unità di misura del peso diffusa nella pratica è il chilogrammo-peso (kgp), ma in realtà nel S.I. l’unità di misura adottata, come per tutte le forze, è il newton (N): 1 kgp = 9,8 N e 1 N = 0,1 kgp (circa).
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Materia e stati di aggregazione
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dinamometro
Strumenti per misurare il peso sono il dinamometro e la bilancia a molla, basati entrambi sulla maggiore o minore deformazione di una molla in relazione al peso di un corpo che dipende, appunto, dalla forza di gravità. Poiché la forza di gravità è diversa nei vari punti della Terra, non esiste nel vuoto e varia su ogni pianeta, anche il peso dipende dal luogo in cui avviene la sua misurazione. Sulla Terra esso è massimo a livello del mare e diminuisce a mano a mano che aumenta l’altitudine; è nullo nel vuoto e sugli altri pianeti varia al variare della loro forza di gravità.
molla
1 kg bilancia a molla
5 kg
Sulla Luna lo stesso corpo avrà ancora la massa di 60 kg, ma il suo peso sarà di 100 N circa
Sulla Terra la massa di un corpo di 60 kg pesa 600 N circa
LIBRO DIGITALE schema animato
100 60 kg
60 kg
600
Terra
Massa e peso sono quindi due grandezze completamente diverse. Come mai allora nell’uso corrente possiamo usare la grandezza peso al posto della grandezza massa? Per rispondere chiediamoci: “se il peso diminuisce con l’aumentare dell’altitudine, un corpo con una massa di 45 kg, che a livello del mare pesa 45 kg, quanto pesa al polo Nord, all’equatore o a 4000 m di altitudine?”. Come vedi nella figura, la differenza fra la massa, sempre 45 kg, e il peso, 45,09 kg al polo Nord, 44,89 all’equatore e 44,80 kg a 4000 m di altitudine, è minima. Dal punto di vista quantitativo, non commettiamo quindi un errore tanto grave parlando di peso al posto di massa e usando per entrambi il chilogrammo (kg) come unità di misura; ricordiamoci però che sono due concetti completamente diversi fra loro.
600
Luna
Sulla Luna il peso è 1/6 di quello sulla Terra.
al polo Nord pesa 45,09 kg a 4000 m pesa 44,80 kg
all’equatore pesa 44,89 kg
a livello del mare pesa 45 kg
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Densità e peso specifico Un corpo più grande, cioè di volume maggiore, ha una massa maggiore rispetto a uno più piccolo? E due corpi di uguale volume avranno sempre la stessa massa? Può sembrare ovvio rispondere “sì” a entrambe le domande. E invece...
20 g
Una pallina di gomma e una di polistirolo dello stesso volume non hanno la stessa massa.
20 g
I due cubetti, uno di alluminio e l’altro d’oro, non hanno lo stesso volume, ma hanno la stessa massa.
Due corpi di uguale volume possono quindi avere masse diverse e due corpi di volume diverso possono avere uguale massa. Quando, a parità di volume, un corpo o una sostanza presenta, rispetto a un’altra, una massa maggiore, si dice che è più densa. La pallina di gomma è più densa di quella di polistirolo, il cubetto di alluminio è meno denso di quello di oro. La densità di un corpo è quindi la massa che tale corpo ha in un determinato volume ed è tipica di ogni sostanza. Se invece della massa consideriamo il peso di un corpo, un dinamometro ci dà un risultato analogo: la pallina di gomma, a parità di volume, pesa di più di quella di polistirolo. Diciamo che la pallina di gomma ha un peso specifico maggiore, come dire un peso più “concentrato”, e tale peso specifico è tipico di ogni sostanza. Esattamente diciamo: • La densità, d, di una sostanza è la quantità di materia, m, in una sua unità di volume, V, ovvero il rapporto tra la sua massa e il suo volume: d = m/V. • Il peso specifico, ps, di una sostanza è il peso di una unità di volume di tale sostanza, ovvero il rapporto tra il suo peso e il suo volume: ps = p/V. Se misuriamo la massa o il peso in grammi e il volume in centimetri cubi, la densità o il peso specifico si misureranno in grammi per centimetro cubo, g/cm3.
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La teoria atomica della materia Tutti i corpi che ci circondano sono dunque materia nei suoi diversi aspetti, le sostanze. Ma da che cosa dipendono le varie proprietà che distinguono queste sostanze? La diversità delle varie sostanze è dovuta alla costituzione della materia che è spiegata dalla teoria atomica della materia. Comprendiamone il significato. Prendiamo un granello di sale grosso da cucina (chiamato esattamente cloruro di sodio) e spezzettiamolo in piccolissime parti. Le particelle che otteniamo, a parte la dimensione, sono ancora granelli di sale con le stesse caratteristiche del granello iniziale. Continuiamo a spezzettare questi granelli: otterremo granellini ancora più minuscoli di sale e, se fossimo capaci di spezzettare ancora questi ultimi, arriveremmo a ottenere particelle invisibili a occhio nudo, che sono però ancora sale. Saremmo arrivati agli invisibili mattoni della sostanza “sale”, che prendono il nome di molecole. La molecola è la più piccola particella di una sostanza che conserva tutte le caratteristiche della sostanza stessa. Se potessimo continuare lo spezzettamento, questa molecola di sale “sparirebbe” perché si trasformerebbe in quelli che sono i suoi invisibili costituenti, gli atomi, esattamente un atomo di cloro (simbolo Cl) e uno di sodio (simbolo Na), due sostanze con proprietà specifiche diverse tra loro e dal sale. In natura esistono 92 tipi di atomi diversi che prendono il nome di elementi chimici. Sono dunque questi atomi che, legandosi tra loro secondo leggi ben precise, formano le varie molecole che caratterizzano le diverse sostanze che possono essere:
sostanze semplici (o elementi), se le loro molecole sono formate da uno o più atomi tutti uguali fra loro. Molecola di rame formata da un solo atomo
H O
Molecola di acqua formata da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno
P P
O
P P
Na
sostanze composte (o composti), se le loro molecole sono formate da più atomi fra loro diversi.
H Cu
CI
O Molecola di fosforo formata da quattro atomi uguali
Molecola di anidride carbonica formata da due atomi di ossigeno e uno di carbonio
C
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Gli stati di aggregazione Se osserviamo attentamente intorno a noi, possiamo notare che una qualunque sostanza può avere tre aspetti, ovvero può presentarsi allo stato solido, allo stato liquido o allo stato aeriforme (o gassoso). Questi tre aspetti della materia prendono il nome di stati fisici o stati di aggregazione della materia.
Lo stato solido Un corpo allo stato solido ha una forma propria che non puoi modificare se non deformandolo, occupa uno spazio ben preciso e quindi ha un volume proprio e non è comprimibile. Se osservi ad esempio un bicchiere o una ciotola, ti accorgi che puoi spostarli come vuoi ma essi non cambieranno forma. Non cambiando forma occuperanno sempre la stessa parte di spazio e avranno sempre lo stesso volume.
Lo stato liquido Un corpo allo stato liquido non ha una forma propria ma assume quella del recipiente che lo contiene, ha un volume proprio e non è quindi comprimibile. Come vedi, una stessa quantità di acqua versata in recipienti diversi non cambia il suo volume, ma si adatta al recipiente assumendone la forma. Se provi a spingere il tappo in una bottiglia piena d’acqua fino all’orlo, per quanto tu possa premere osserverai che non riesci a spingere se non facendo fuoriuscire dell’acqua: nonostante la pressione esercitata, l’acqua non si comprime.
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Materia e stati di aggregazione
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Lo stato aeriforme Un corpo allo stato aeriforme non ha né volume né forma propri; esso occupa infatti tutto lo spazio a sua disposizione, ed è facilmente comprimibile. Come puoi osservare, l’aria che soffi nel palloncino occuperà tutto lo spazio dentro di esso; se il palloncino scoppia, occuperà tutto lo spazio che c’è attorno.
Se provi a premere un palloncino pieno di aria, osserverai che puoi deformarlo come vuoi in quanto l’aria in esso contenuta si comprime facilmente.
SE HAI IMPARATO… Completa le seguenti affermazioni.
Una sostanza si dice semplice se
Materia è tutto ciò che
Le sostanze sono le
Una sostanza si dice composta se
La molecola è la
Gli stati di aggregazione della materia sono ,
e
.
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FISICA E CHIMICA
Che cosa caratterizza i tre stati? Come possiamo spiegarci le diverse caratteristiche delle sostanze nello stato solido, liquido e aeriforme? Ritorniamo all’intima costituzione della materia, le invisibili molecole che la costituiscono. Queste molecole, all’interno della materia stessa, sono in continuo movimento e si tengono vicine, “attratte” le une dalle altre da particolari forze. • Il continuo movimento delle molecole prende il nome di agitazione termica. • La forza con cui le molecole si attraggono fra loro è detta forza di coesione. Cosa succede a livello di agitazione termica e di forza di coesione nei tre stati di aggregazione?
LIBRO DIGITALE osservazione animata
All’interno di un corpo allo stato solido le molecole possiedono una limitatissima agitazione termica e sono strettamente legate da una fortissima forza di coesione. Ciò rende un solido compatto, dalla forma ben precisa e con un volume proprio.
All’interno di un corpo allo stato liquido le molecole possiedono una maggiore agitazione termica e sono debolmente legate da una lieve forza di coesione. Ciò rende un liquido capace di adattarsi al recipiente che lo contiene pur mantenendo inalterato il suo volume.
All’interno di un corpo allo stato aeriforme le molecole possiedono una enorme agitazione termica e sono legate da una debolissima forza di coesione. Ciò rende un gas capace di cambiare facilmente forma e volume.
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Notizie e curiosità
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Stati intermedi della materia I
tre stati di aggregazione, solido, liquido e aeriforme, sono gli stati principali sotto cui si presenta la materia. Una so-
Elastica
stanza però può avere anche caratteristiche intermedie, ad esempio può essere elastica e plastica:
Plastica
Una molla di acciaio, una gomma per cancellare, un filo elastico si dicono elastici perché, se compressi, possono deformarsi, ma finita la causa che li deforma riacquistano la loro forma iniziale.
Un pezzo di plastilina, del pongo, la creta si dicono plastici perché, se deformati o modificati, conservano la forma acquistata anche se cessa la causa che li ha modificati.
L’elasticità è la caratteristica che hanno alcuni corpi di poter riprendere la forma iniziale dopo aver subito una deformazione. La plasticità è la caratteristica che hanno alcuni corpi di mantenere la forma acquisita dopo una modificazione.
U na sostanza può essere anche densa, fluida e viscosa.
Densa, se è formata da materia compatta.
Fluida, se si versa facilmente.
Viscosa, se si versa con difficoltà.
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Materia è tutto ciò che occupa uno spazio ben preciso, che non può essere occupato contemporaneamente da altra materia, ovvero, la materia è impenetrabile, ha una massa e quindi un suo peso. Le diverse forme sotto cui si presenta la materia sono le sostanze. Le sostanze di origine animale o vegetale si dicono sostanze organiche. Le sostanze di origine minerale si dicono sostanze inorganiche. I corpi costituiti da una sola sostanza si chiamano corpi omogenei. I corpi costituiti da più sostanze si chiamano corpi eterogenei. La massa di un corpo è la quantità di materia che lo costituisce; essa è perciò costante in qualunque luogo avvenga la sua misurazione. Il peso, o più esattamente la forza peso, di un corpo è la forza con cui la massa di un corpo è attratta verso il centro della Terra dalla forza di gravità.
Qualunque sostanza può avere tre aspetti, ovvero può presentarsi allo stato solido, allo stato liquido o allo stato aeriforme (o gassoso). Questi tre aspetti della materia prendono il nome di stati fisici o stati di aggregazione della materia. Un corpo allo stato solido ha una forma propria che non puoi modificare se non deformandolo, occupa uno spazio ben preciso e quindi ha un volume proprio e non è comprimibile. Un corpo allo stato liquido non ha una forma propria ma assume quella del recipiente che lo contiene, ha un volume proprio e non è quindi comprimibile. Un corpo allo stato aeriforme non ha né volume né forma propri; esso occupa infatti tutto lo spazio a sua disposizione, ed è facilmente comprimibile. Prende il nome di agitazione termica il continuo movimento delle molecole. È detta forza di coesione la forza con cui le molecole si attraggono fra loro. • All’interno di un corpo allo stato solido le molecole possiedono una limitatissima agitazione termica e sono strettamente legate da una fortissima forza di coesione.
La densità, d, di una sostanza è la quantità di materia, m, in una sua unità di volume, V, ovvero il rapporto tra la sua massa e il suo volume: d = m/V. Il peso specifico, ps, di una sostanza è il peso di una unità di volume di tale sostanza, ovvero il rapporto tra il suo peso e il suo volume: ps = p/V. La molecola è la più piccola particella di una sostanza che conserva tutte le caratteristiche della sostanza stessa.
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• All’interno di un corpo allo stato liquido le molecole possiedono una maggiore agitazione termica e sono debolmente legate da una lieve forza di coesione. • All’interno di un corpo allo stato aeriforme le molecole possiedono una enorme agitazione termica e sono legate da una debolissima forza di coesione.
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Materia e stati di aggregazione
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Parole chiave Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Materia Sostanza Corpo Massa Peso
Densità Peso specifico Molecola Stati di aggregazione Stato solido
Stato liquido Stato aeriforme Agitazione termica Forza di coesione
Verifica Ciò che Cio sai
1. Rispondi. a) Che cos’è la materia?
5. Che cosa sono densità e peso specifico di una sostanza?
6. Che cosa si intende per “teoria atomica della materia”? b) Che cosa sono le sostanze?
7. Completa. a) Una sostanza si dice semplice o elemento se
2. Completa.
b) Una sostanza si dice composta se
a) Una sostanza si dice organica se b) Una sostanza si dice inorganica se
8. Che cosa sono e quali sono gli “stati di aggregazione della materia”?
c) Un corpo si dice omogeneo se
a) b)
d) Un corpo si dice eterogeneo se
c)
9. Completa. 3. Che cosa sono massa e peso?
a) L’agitazione termica è
b) La forza di coesione è
4. Qual è il termine esatto dello strumento con cui si misura: a) la massa: b) il peso:
10.Come variano agitazione termica e forza di coesione nei tre stati di aggregazione?
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Ciò che Cio sai fare
11. Osserva la figura sottostante e individua in
14. A quale stato di aggregazione si riferisco-
essa le sostanze allo stato solido, quelle allo stato liquido e quelle allo stato aeriforme.
no le seguenti rappresentazioni? Scrivilo sotto a ciascuna di esse.
a)
a) Solide
b)
c)
15. La ragazza in figura ha soffiato con la stes-
b) Liquide
sa intensitĂ e per lo stesso tempo in tre palloncini diversi. Quale proprietĂ degli aeriformi vuole provare?
c) Aeriformi
12. La materia occupa uno spazio. Come potresti provarlo?
13. Quali delle seguenti molecole rappresentano un elemento e quali una sostanza composta? Scrivilo sotto a ciascuna di esse.
a)
b)
c)
16. Quanti newton pesa al livello del mare un corpo che ha una massa di 500 kg? d)
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e)
a 4900 N
b 50 N
c 4,9 N