Gli stati della materia, l’argomento dal quale ricominciare per avere le certezze di comprendere le nuove visioni dell’Universo. Un Universo che si sta maturando alla luce delle straordinarie e sconvolgenti comunicazioni dei telescopi spaziali e non solo.
Il legame chimico
Gli stati della materia che abbiamo imparato a scuola per chi, come me, è abbastanza anzianotto erano chiamati: stato solido, stato liquido e stato gassoso. Gli insegnanti più all’avanguardia ci hanno pure detto che esisteva un quarto stato della materia, quello del plasma (video). Ma andiamo con ordine, riprendiamo questi concetti i cui principi li estraiamo dalla conoscenza moderna e che consideriamo universale. Se le scienze fondamentali sono universali, anche il comportamento della materia-energia dovrà assoggettarsi alle regole che la scienza impone.
Come abbiamo accennato in un precedente articolo, a temperature molto più basse di quelle nucleari possono avvenire le prime reazioni chimiche. In esse gli atomi si uniscono, si separano, si legano con altri atomi senza modificare la struttura del loro nucleo e in conseguenza la propria identità.
Quando due atomi di idrogeno si avvicinano tra di loro ad una temperatura moderata, si legano per formare la molecola H2. Gli atomi di elio, invece, non si comportano in questo modo. Quando si urtano, essi rimbalzano via senza modificazioni di alcun tipo, mostrando una scarsa tendenza a legarsi.
Il concetto di legame chimico che tiene insieme due atomi di idrogeno, ma non due atomi di elio è il concetto generale più importante di tutta la chimica.
I primi stati della materia che abbiamo conosciuto
Quindi, a temperature simili a quelle del nostro pianeta, gli atomi di elio (He) e le molecole di idrogeno (H2) si muovono pressoché isolate. Così ogni altro atomo o molecola di un qualsiasi gas (o aeriforme) si muovono indipendentemente, con una loro velocità che dipende dall’energia legata al suo moto. Più alta è la temperatura, più velocemente si muovono le molecole di un gas. La temperatura è in effetti una misura diretta dell’energia media delle molecole di un gas.
Ma i gas non sono l’unico stato che può assumere la materia dell’universo. Esistono anche lo stato liquido e quello solido, soprattutto per le molecole più grandi e per le temperature più basse.
Ogni atomo o molecola presenta una debole attrazione per gli altri atomi o per le altre molecole. È come se fosse una specie di adesività di contatto che è nota come attrazione di van der Waals.
Se la temperatura è bassa e l’energia del moto di un insieme di molecole è sufficientemente piccola, le forze di van der Waals manterranno assieme le molecole in uno stato che è detto liquido. Le molecole restano in contatto tra di loro, ma sono libere di scivolare le une sulle altre.
A temperature ed energie molecolari ancora più basse, questa energia di movimento è ancora più ridotta. Le molecole si bloccano come congelate nella geometria stabile del solido.
Più precisamente …
GAS (o ARIFORME) – In un gas, le singole molecole si muovono liberamente nello spazio, entrando in contatto le une con le altre solo nel momento della collisione, a cui fa seguito il loro rimbalzo. Un gas non ha né forma né volume definito: si adatta alla forma del suo recipiente e può essere compresso o fatto espandere.
LIQUIDO – Le molecole di un liquido sono in contatto tra di loro, ma hanno sufficiente energia per scivolare le une sulle altre, mutando la propria posizione. Perciò, un liquido ha volume relativamente stabile, ma non ha una forma definita.
SOLIDO – In un solido cristallino le molecole sono impacchettate le une sulle altre secondo uno schema regolare e non hanno energia sufficiente per rompere questo schema e scivolare da una posizione ad un’altra. I cristalli hanno una forma ed un volume definiti ed è necessario compiere un lavoro per deformarli o romperli.
Altri stati della materia (breve cenno)
La scienza va avanti e le conoscenze sulla materia diventano sempre più capillari. La naturale conseguenza è che diventa necessario introdurre altri stati della stessa materia che corrispondono alle nuove situazioni che incontriamo.
Vediamo solo altri due stati, i più tangibili, ma ve ne sono altri ancora, più particolari che si differenziano tra loro per poche caratteristiche, ma pur sempre proprietà che li differenziano.
PLASMA – Lo stato plasmatico è simile a un gas ma è ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è nulla). In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, dal liquido e dall’aeriforme. Il termine “ionizzato” indica che una frazione significativa di elettroni è stata strappata dai rispettivi atomi.
CONDENSATO DI BOSE-EINSTEIN – Il condensato si forma quando dei bosoni sono raffreddati a temperature di poco superiori allo zero assoluto. La proprietà principale del condensato di Bose-Einstein sta nel fatto che le particelle che si trovano in tale stato esibiscono comportamenti quantistici apprezzabili su scala macroscopica. Ricordiamo che i comportamenti quantistici, in generale, possono essere appezzati solo su scala sub-atomica, quindi questa particolarità di esibirsi su scala macroscopica caratterizza fortemente questo condensato che quindi contraddistingue un ulteriore stato della materia.
Biografia dell’universo
L’universo è ben lontano dall’essere considerato omogeneo e questa è una conseguenza del modo con il quale si è sviluppato. Le stelle più antiche si sono condensate aumentando la temperatura del loro centro (nucleo) fino ad innescare il processo di fusione dell’idrogeno (momento iniziale della vita di una stella).
Seconda la teoria del big bang, oggi ormai messa in discussione come non più corretta, le prime stelle dovrebbero essersi formate 13 miliardi di anni fa. Non potendo più accettare, a meno di nuove conferme, una tale datazione, dobbiamo accontentarci comunque del fatto che il procedimento di nascita di una stella sia quello descritto anche in articoli precedenti (il funzionamento è quello segnalato, ciò che non possiamo più dire è il quando è iniziata la nascita del nostro universo.
Quattro nuclei di idrogeno si uniscono a formare un nucleo di elio e si ha la liberazione di una grande quantità di energia: la stella si accende.
Nelle grosse stelle, che hanno la capacità di trattenere il calore sufficiente, la temperatura più elevata nella parte centrale della stella ha portato al successivo innesco della fusione dell’elio e quindi ad una serie di reazioni atte a produrre gli elementi più pesanti.
Le stelle, quindi, sono i crogioli in cui si sono formati gli elementi più pesanti.
Le esplosioni delle supernove hanno disperso questi elementi nel cosmo, come nuclei dai quali, nel tempo, si sono formate stelle di seconda generazione, come il nostro Sole.
I passaggi di stato
Una volta individuati gli stati nei quali la materia può rivelarsi, ci chiediamo se per un certo materiale è possibile cambiare il suo stato chimico-fisico. I passaggi di stato (o cambiamenti di stato)sono trasformazioni fisiche della materia. In altri termini, i passaggi di stato della materia sono quei fenomenici fisici che permettono a un corpo di passare da uno stato all’altro. I passaggi di stato possono essere reversibili o irreversibili. Ad esempio, l’acqua che si solidifica in ghiaccio può tornare allo stato liquido (caso di trasformazioni reversibili).
Ricordiamo che la materia si trova allo stato plasmatico quando abbiamo ioni ed elettroni liberi di atomi a cui sono stati sottratti elettroni.
Quindi, per ora considereremo solo i quattro stati fondamentali della materia (solido, liquido, aeriforme e plasmatico)
Affinché un passaggio di stato si verifichi è necessario fornire o sottrarre calore a un corpo. La caratteristica principale dei passaggi di stato è che questi fenomeni accadono a temperatura costante. La temperatura di un corpo rimane costante durante il passaggio di stato perché il calore, ossia l’energia, viene usato per rompere o creare legami non per innalzare o abbassare la temperatura.
L’esempio classico è quello dell’acqua che bolle. Durante il processo, la temperatura è costante a 100° C fino alla sua completa trasformazione in vapore. Infatti, fornendo calore le molecole oscillano, si distanziano e i legami si rompono.
Quali sono i passaggi di stato
I passaggi di stato più conosciuti sono 6.
Dati i primi 3 stati della materia, i passaggi avvengono in successione e in modo reversibile:
Solido ↔ Liquido ↔ Gassoso
Quindi, abbiamo:
1) il passaggio da solido a liquido (fusione),
2) da liquido a gassoso (vaporizzazione: che può essere sottoforma di evaporazione o ebollizione),
3) da gassoso a liquido (condensazione),
4) da liquido a solido (solidificazione),
5) da solido a gassoso (direttamente senza passare per lo stato liquido) (sublimazione),
6) da gassoso a solido (direttamente senza passare per lo stato liquido) (brinamento).
Ma poiché come abbiamo detto sopra, gli stati della materia che consideriamo principali sono 4, a questi 6 passaggi ne vanno aggiunti altri 2. Quindi, i passaggi di stato diventano 8.
Dato lo stato gassoso ↔ stato plasmatico, avremo questi due ulteriori passaggi di stato:
7) da gassoso a plasmatico (si sottraggono elettroni e si ha lo ione a carica positiva) (ionizzazione),
8) da plasmatico a gassoso (si aggiungono elettroni e si ha lo ione neutro) (deionizzazione).
Tutto quanto abbiamo detto rientra in ciò che è noto e in quello che consideriamo ancora corretto e su queste basi che l’Universo che conosciamo deve essersi formato.
Già stiamo a buon punto perché abbiamo recuperato una buona parte di chimica e fisica, in conseguenza anche la biologia, almeno nelle sue premesse può essere considerata corretta.
Andremo avanti nella nostra indagine alla ricerca dei punti che sono fallaci e questo anche con l’aiuto dell’attuale tecnologia che ci sta svelando una nuova verità.