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In molti contesti, i termini “fasi della materia” e “stati della materia” sono usati in modo intercambiabile come se fossero sinonimi. Lo stesso si può dire rispetto ai cambiamenti di fase e ai cambiamenti di stato. Tuttavia, ci sono sottili differenze che rendono questi termini non esattamente uguali.
Successivamente, esploreremo queste differenze per imparare a distinguere chiaramente quando parliamo di fasi e quando di stati della materia.
Quali sono gli stati della materia?
Gli stati della materia sono i diversi modi in cui le particelle che la compongono si possono sommare o unire tra loro. Per questo motivo sono anche chiamati stati di aggregazione della materia . Questi stati sono essenzialmente definiti in base alla mobilità che le loro particelle presentano nella struttura della sostanza.
In questo senso, la stessa sostanza può generalmente trovare i seguenti quattro stati della materia:
- Stato solido: caratterizzato dall’essere formato da corpi di forma e volume definiti. Allo stato solido, tutte le particelle sono confinate in una posizione fissa, con pochissima libertà di movimento. Ciò conferisce ai solidi sia un volume definito che una forma definita.
- Stato liquido: nei liquidi, le particelle che compongono una sostanza sono molto vicine tra loro, ma la loro unione è abbastanza lasca da consentire alle particelle di fluire e scivolare da un luogo all’altro con relativa libertà. Per questo i liquidi hanno un volume definito, ma non una forma definita, acquisendo la forma del contenitore che li contiene.
- Stato gassoso: in questo stato le particelle sono essenzialmente separate l’una dall’altra, interagendo molto poco tra loro. Le sostanze allo stato gassoso sono caratterizzate dall’avere densità molto basse e dal non avere una forma o un volume definito.
- Plasma: Un plasma è una miscela gassosa di elettroni liberi e ioni positivi (cationi) che si formano riscaldando i gas a temperature molto elevate. Queste temperature sono così elevate che quando si scontrano tra loro, gli atomi si strappano letteralmente gli elettroni l’uno dall’altro. La materia delle stelle è allo stato di plasma, nella maggior parte di esse.
Molte sostanze possono esistere in ognuno di questi stati, mentre altre no. L’acqua è il tipico esempio di sostanza che possiamo trovare allo stato solido, liquido e gassoso, anche tutte contemporaneamente in condizioni relativamente normali. Invece il saccarosio o comune zucchero da tavola può esistere allo stato solido (come lo troviamo normalmente), e possiamo anche scioglierlo, diventando così liquido come quando facciamo il caramello. Tuttavia, se continuiamo a riscaldare il saccarosio fuso, invece di trasformarsi in uno stato gassoso, di solito si decompone o si carbonizza prima di trasformarsi in uno stato gassoso.
Oltre a questi stati comuni, ci sono altri stati meno comuni che esistono solo in condizioni estreme di temperatura e pressione. Ad esempio, c’è il condensato di Bose-Einstein che si forma solo a temperature estremamente basse, molto vicine allo zero assoluto; lo stato degenerato della materia che esiste in condizioni di densità estremamente elevate come nelle stelle di neutroni che si formano dopo che una stella muore, e nei plasmi di quark-gluoni , che si formano solo in condizioni di energia estremamente elevata.
Fattori che influenzano gli stati della materia
Il fatto che una data sostanza sia nella forma di un solido, di un liquido o di un gas dipende da una competizione tra le forze che cercano di tenere insieme le sue particelle e le forze che tendono a separarle. Le forze di interazione che esistono tra le sue particelle, o forze coesive, tendono a unire le particelle, mentre le vibrazioni termiche tendono a separarle. Al contrario, l’alta pressione tende ad avvicinare le particelle, facilitando l’interazione tra le particelle e tendendo a condensarle.
Quali sono le fasi della materia?
Il concetto di fase è diverso da quello di stato. In fisica e chimica, una fase della materia si riferisce a una porzione di materia oa una zona o regione all’interno di un sistema in cui le proprietà fisiche e chimiche sono uniformi o omogenee.
Questo potrebbe sembrare un concetto simile a quello di stato, poiché ci sono casi in cui una sostanza in uno stato fisico è anche sotto forma di un’unica fase. Questo accade, ad esempio, nel caso dell’acqua. L’acqua allo stato gassoso, cioè il vapore acqueo, è allo stesso tempo una fase, poiché il vapore acqueo è essenzialmente omogeneo. Lo stesso si può dire dell’acqua liquida e del ghiaccio. In questi casi parlare della fase gassosa dell’acqua equivale sostanzialmente a parlare di acqua allo stato gassoso.
Tuttavia, ci sono altre sostanze che possono esistere in forme diverse pur essendo nello stesso stato. Un esempio è l’ossido di silicio o silice, che può esistere in diverse fasi, tutte allo stato solido. A seconda delle condizioni di temperatura e pressione, la silice può esistere come quarzo-a, quarzo-β, cristobalite, tridimite, coesite e altro. Ognuna di queste fasi sono tutte allo stato solido e ognuna di esse ha una struttura particolare e proprietà fisico-chimiche diverse dalle altre.
Fasi nei sistemi multicomponente
Le fasi e gli stati della materia sono facilmente comprensibili nei casi di sostanze pure o di sistemi costituiti da un unico componente. Tuttavia, quando mescoliamo vari componenti per formare sistemi binari, ternari e più complessi, possono verificarsi comportamenti inaspettati della materia.
In questi casi si possono formare un gran numero di fasi diverse a seconda della composizione del sistema e delle proporzioni in cui si trovano i diversi componenti. Le leghe sono chiari esempi di questi sistemi complessi in cui possiamo ottenere proprietà radicalmente diverse mescolando insieme i metalli.
Il concetto di fase è anche molto utile per descrivere miscele di liquidi immiscibili come olio e acqua. Nonostante il fatto che, nel suo complesso, il sistema sia allo stato liquido, è evidente che ci sono due fasi distinte, una formata dall’olio che galleggia sopra la fase acquosa. Si noti che, in questo caso, non ha senso parlare di uno “stato” oleoso o organico e di uno “stato” acquoso, ma ha senso parlare di una fase oleosa o organica e di una fase acquosa.
Sintesi delle differenze tra stato e fase della materia
Gli stati della materia sono definiti in base alla mobilità delle particelle che la compongono. Invece le fasi della materia sono definite in termini di proprietà fisiche e chimiche della materia, e si possono trovare più fasi diverse con la stessa composizione e nello stesso stato di aggregazione ma che però hanno proprietà differenti.
D’altra parte, gli stati della materia possono essere solido, liquido, gassoso e plasma, così come altri stati più esotici che esistono in condizioni estreme. D’altra parte, più fasi liquide e gassose e più fasi solide possono coesistere nello stesso sistema. Ciò indica che il concetto di stato della materia è un concetto più generale o meno specifico della fase della materia.
Riferimenti
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