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nonèunamela - Storia ed Epistemologia per una Nuova Didattica delle Scienze (SENDS) 1

3. LA STRUTTURA DELLA MATERIA

Come spiegare la grande varietà di cose che popolano il mondo? Come mai uno stesso corpo, per

esempio l’acqua, può esistere come ghiaccio solido e acqua liquida? Come si spiegano le continue

e incessanti trasformazioni della materia? Fin dai tempi più antichi gli esseri umani si sono posti

questi interrogativi, per rispondere ai quali svilupparono riflessioni che li portarono a inventare

congetture sulla struttura della materia. Si tratta di riflessioni di natura filosofica che servirono di

base allo sviluppo della scienza, ossia di quel processo intellettuale di produzione di conoscenza

che cerca di spiegare razionalmente il mondo di cui facciamo parte.

REALTÀ, MODELLI E RAPPRESENTAZIONI

Che cosa fanno gli scienziati quando parlano di particelle, atomi, molecole, elettroni, protoni, ecc.?

Parlano di cose che non vedono, ma che immaginano. Possono immaginarle come vogliono? No,

perché esiste una realtà empirica che si comporta in un certo modo e che comprende tutti i

fenomeni fisici e chimici. Lo scienziato può pensare, immaginare qualcosa di assolutamente nuovo

che non ha mai pensato nessuno, può attribuirgli le proprietà che ritiene più plausibili. Queste

proprietà però devono trovare riscontro nel comportamento dei corpi macroscopici. Gli scienziati

inventano modelli mediante i quali è possibile produrre rappresentazioni “concrete” e

“manipolabili” di entità mentali che non sono percepibili mediante i sensi.

Per comprendere cosa sia un modello, facciamo un esempio. Immaginiamo di descrivere un

elefante a una persona che non ne ha mai visto uno. Sarà necessario associare le diverse parti

dell’animale a un qualche oggetto noto. Così, potremmo dire che il corpo largo e robusto

dell’elefante è simile a un muro, la proboscide a un serpente, la coda a una corda, le sue zanne

appuntite assomigliano a delle lance, le zampe ad alberi, le orecchie a grandi ventagli, e così via.

Questa persona potrebbe produrre un disegno dell’elefante che ne costituisce una

rappresentazione, ma non una riproduzione.

Si può quindi concludere che una

cosa è l’elefante (la realtà) per chi

l’ha visto, e un’altra cosa è l’elefante

(la realtà) per chi non lo conosce.

Potremmo allora dire che esiste più di

una realtà? In effetti bisogna

ammettere che la realtà può essere

vista, o meglio “immaginata”,

“rappresentata”, in modi diversi. Il

disegno dell’elefante, eseguito sulla

base delle informazioni fornite, è ciò

che la persona che non lo conosce

immagina dell’elefante. Dunque il disegno è una rappresentazione dell’elefante così come viene


immaginato. In altre parole, ciò che viene detto a proposito delle parti dell’animale costituisce un

modello di elefante, mediante il quale è possibile produrne una rappresentazione.

Proviamo a dare una definizione di modello:

Un modello è uno strumento interpretativo che consente di rappresentare, mediante un determinato linguaggio, un sistema reale o supposto reale, cioè una porzione limitata del mondo quale è vista da un ricercatore che se ne sta interessando, nonché di studiarne e prevederne il comportamento.

LA STRUTTURA DELLA MATERIA: CONTINUA O DISCONTINUA?

Nel V° secolo a.C., nella Grecia antica, i filosofi Democrito e Aristotele proposero due concezioni

differenti (due modelli) della struttura della materia.

La concezione di Democrito

Democrito sosteneva che la struttura della materia fosse discontinua. Secondo la sua idea,

dividendo un pezzetto di argento in porzioni sempre più piccole, a un certo punto non si sarebbe

più potuto proseguire nella suddivisione. Si sarebbe ottenuto un pezzetto minuscolo non riducibile

in pezzetti più piccoli. Democrito, infatti, riteneva che l’argento, come tutti gli altri corpi, solidi, liquidi

e gassosi, fosse costituito di particelle minutissime, impossibili da vedere a occhio nudo, indivisibili

e indeformabili. Egli chiamava queste particelle atomi, perché atomos in greco significa indivisibile.

Quindi, Democrito riteneva che la materia avesse una struttura discontinua o corpuscolare.

Con questa concezione della materia, egli era in grado di spiegare i cambiamenti di stato dei corpi

materiali. Per esempio, le particelle che costituiscono l’acqua sono sempre le stesse sia nell’acqua

liquida sia nel ghiaccio. Però queste particelle sono più o meno stipate, ossia più o meno vicine le

une alle altre, e questo spiega la differenza di stato fisico. Secondo Democrito, nel ghiaccio le

particelle sarebbero più stipate che nell’acqua: per questo motivo il ghiaccio è un corpo solido e

l’acqua è un corpo liquido.

Nei corpi materiali le particelle sono più o meno stipate, più o meno vicine le une alle altre ma non

sono aderenti le une alle altre. Cosa c’è fra una particella e l’altra? Democrito sosteneva che fra le

particelle esiste il vuoto, ossia uno spazio in cui non ci sono particelle e dunque non c’è materia.

Gli atomi sono in continuo movimento nel vuoto; a causa del loro movimento caotico, gli atomi si

urtano e si compattano in modo da formare insieme una massa, rendendo così percettibile ciò che

da solo è impercettibile. È possibile vedere il ferro solo quando un numero sufficiente di particelle

(atomi) di ferro si sono compattate in modo da formare una massa visibile. Sempre a causa di

questi movimenti, le particelle possono staccarsi dai corpi, incontrare altre particelle e dare origine

a nuovi corpi. Nella concezione discontinua della materia, l’esistenza di uno spazio vuoto, privo di

materia, risulta essenziale per spiegare la possibilità di movimento delle particelle e delle loro

collisioni: queste sono all’origine di tutte le trasformazioni della materia le quali, in assenza di

vuoto, non sarebbero ammissibili.

In conclusione, possiamo affermare che due sono i pilastri della concezione di Democrito della

struttura della materia: l’idea di particella indivisibile o atomo e l’idea di vuoto.


La concezione di Aristotele

Aristotele sostiene che la materia non è costituita di particelle ma ha una struttura continua e

riempie completamente lo spazio perché è estesa in lunghezza, larghezza e profondità per cui

occupa tutti gli spazi immaginabili. Dato che la materia è continua, essa è divisibile all’infinito;

quindi non esiste un limite oltre il quale non si può più andare, ossia non esistono le particelle

indivisibili (gli atomi) di cui parla Democrito. Di conseguenza, nella materia non esistono spazi

vuoti: in natura, il vuoto non esiste e la materia è sempre presente anche se non la vediamo. La

materia è formata a partire da quattro elementi: Terra, Acqua, Aria e Fuoco: tutte le infinite cose

che sono percepite dai nostri sensi provengono dalla mescolanza di due o più dei quattro elementi

fondamentali. A ciascuno dei quattro elementi, egli attribuisce una coppia di qualità: il caldo/umido

all’aria; il caldo/secco al fuoco; il freddo/umido all’acqua e il freddo/secco alla Terra. Gli elementi

possono trasformarsi gli uni negli altri: è sufficiente che una delle qualità che lo caratterizza si

trasformi nel suo contrario. L’acqua (umida e fredda) può diventare aria (umida e calda) per azione

del calore che trasforma il freddo in caldo; il fuoco (secco e caldo) può diventare aria (umida e

calda) grazie all’umidità che trasforma il secco in umido. I cambiamenti riguardano la forma che la

materia assume, non la materia stessa, che per Aristotele è unica.

Democrito o Aristotele?

Due sono dunque le concezioni della struttura della materia che si sono contrapposte nel corso dei

secoli: quella di Democrito, secondo il quale la struttura della materia è discontinua, e quella di

Aristotele, secondo il quale la struttura della materia è continua. Fra le due ha prevalso quella di

Aristotele e fino al XVII° secolo i “filosofi della natura” nella loro grande maggioranza hanno

rifiutato l’esistenza sia delle particelle indivisibili (gli atomi) sia del vuoto. Tuttavia, fra gli studiosi

rimanevano aperti alcuni interrogativi: Quale di queste concezioni è più plausibile? Quale è in

grado di fornire spiegazioni logiche e razionali di quanto avviene in natura? Quale di queste due

concezioni può appoggiarsi su evidenze sperimentali? La risposta a questi interrogativi giunse nel

XVII° secolo grazie a una constatazione sperimentale di Evangelista Torricelli (1608-1647). Nel

corso dei suoi studi sul trasporto dell’acqua, Torricelli concepì e realizzò il seguente esperimento.

Esperimento di Torricelli – Un tubo di vetro lungo 1 metro e con un’estremità chiusa, viene

riempito di mercurio. Dopo il riempimento, l’estremità aperta viene tappata con un dito in modo da

impedire la fuoriuscita di mercurio. Quindi si immerge questa estremità del tubo dentro il mercurio

contenuto in una bacinella. A questo punto il dito viene tolto, così da mettere in contatto il mercurio


contenuto nel tubo con il mercurio contenuto nella bacinella. Il mercurio contenuto nel tubo scende

di circa 24 cm e poi si ferma (livello A). In questo modo, sopra il livello del mercurio contenuto nel

tubo, esiste uno spazio E. (Figura 1)

Figura 1 – L’esperimento di Torricelli

Cosa è contenuto nel tubo al di sopra del mercurio? Poiché inizialmente il tubo era tutto pieno di

mercurio e poiché nulla è entrato nel tubo quando la sua estremità aperta è stata introdotta nel

mercurio della bacinella, l’unica risposta plausibile è la seguente: nello spazio che sovrasta il

mercurio contenuto nel tubo non vi è più mercurio e nessun altro corpo ne ha preso il posto,

dunque vi è il vuoto. Con i suoi studi Torricelli si inserì nella millenaria polemica fra “vacuisti” e

“pienisti” e mostrò che in natura il vuoto esiste. L’esistenza del vuoto porta di conseguenza a

supporre che potrebbe essere accettabile la concezione di Democrito sulla struttura della materia,

basata proprio sull’esistenza del vuoto come spazio nel quale non ci sono particelle.


IL MODELLO PARTICELLARE DELLA MATERIA I DUE LIVELLI DELLA CHIMICA

Per decidere se la concezione discontinua o particellare della struttura della materia è accettabile,

si deve verificare se è possibile spiegare, mediante le particelle, gli stati fisici dei corpi materiali e

le loro trasformazioni. In altre parole, si tratta di prendere in considerazione le proprietà dei corpi

solidi, liquidi e gassosi, delle loro miscele e le loro trasformazioni da uno stato fisico all’altro,

ragionando “come se i corpi fossero costituiti di particelle” e cercando con questi ragionamenti di

spiegare ciò che viene percepito con i sensi. Questo è il compito che affronta la chimica, la quale

può quindi essere definita come la scienza che si interessa della struttura e delle trasformazioni della materia.

Le proprietà e le trasformazioni dei corpi materiali sono percepibili con i sensi: si dice che

appartengono al livello macroscopico.

Al livello macroscopico appartiene tutto ciò che è percepibile con i sensi.

Per spiegare le proprietà e le trasformazioni dei corpi, i chimici ricorrono a particelle non percepibili

dai sensi, le quali appartengono al livello microscopico.

Al livello microscopico appartiene tutto ciò che non è percepibile con i sensi.

In questo caso, l’attributo “microscopico” non ha nessuna relazione con il sostantivo “microscopio”.

Affermare che le particelle appartengono al livello microscopico non significa che le particelle

possono essere viste con il microscopio. I due attributi, “macroscopico” e “microscopico”

significano rispettivamente “percepibile con i sensi” e “non percepibile con i sensi”. I chimici

studiano le proprietà e le trasformazioni dei corpi (livello macroscopico); per spiegarle ricorrono a

particelle che costituiscono la struttura della materia (livello microscopico). Quindi lo studio della

chimica richiede che si tengano sempre presenti questi due livelli contemporaneamente e si passi

continuamente da un livello all’altro senza mai confonderli.

PROBLEMI E SPIEGAZIONI

Gli scienziati non si limitano a prendere atto di ciò che succede in natura, ma tentano di spiegare il

mondo che ci circonda, proponendo meccanismi che permettono di comprendere le cause degli

eventi. I chimici, in particolare, si propongono di comprendere e quindi di spiegare le proprietà e la

struttura dei corpi materiali, nonché le trasformazioni di questi corpi. Nel loro tentativo di

comprensione e di spiegazione, i chimici partono sempre da un interrogativo, da un problema; essi

si trovano di fronte a un fatto e lo trasformano in un problema ponendosi interrogativi quali: Come mai si produce questo fatto? Come è possibile spiegare questo fatto?

Per esempio, si constata che il livello dell’acqua contenuta in un recipiente si abbassa

gradualmente con il passare del tempo.


Il chimico si chiede: Come spiegare questa diminuzione graduale del livello dell’acqua? In un primo

tempo a questo interrogativo è stata data una risposta che si colloca a livello macroscopico: a

temperatura ambiente, l’acqua passa gradualmente dallo stato liquido allo stato di vapore che si

disperde nell’aria atmosferica, ossia si ha evaporazione dell’acqua. Successivamente, gli studiosi

si sono posti un ulteriore interrogativo: Come è possibile spiegare il passaggio dell’acqua dallo stato liquido allo stato gassoso? Per dare risposta a tale interrogativo gli studiosi hanno fatto

ricorso a un modello di struttura della materia che si colloca a livello microscopico.

Da un punto di vista generale, per spiegare le trasformazioni della materia gli studiosi hanno

dapprima fatto ricorso a modelli macroscopici e poi a modelli microscopici sulla struttura della

materia. Due erano le concezioni sulla struttura della materia a disposizione: quella continua,

proposta da Aristotele e quella discontinua, proposta da Democrito. Come abbiamo visto, Torricelli

aveva provato sperimentalmente l’esistenza del vuoto. Di conseguenza, fra le due concezioni della

struttura della materia, quella continua e quella discontinua, appariva più ragionevole e

convincente quella discontinua, basata sull’esistenza delle particelle e del vuoto.

I chimici hanno ragionato in questo modo: dal momento che è stata provata l’esistenza del vuoto,

risulta accettabile dal punto di vista logico l’idea di Democrito che la materia sia costituita di

particelle che si muovono nel vuoto; vediamo dunque se con questa congettura è possibile

spiegare le proprietà e le trasformazioni dei corpi materiali. Quindi i chimici sono partiti da

interrogativi, da problemi che si ponevano a livello macroscopico e hanno cercato di risolverli

con una congettura sulla struttura della materia che si colloca a livello microscopico.

Naturalmente, per spiegare le proprietà dei corpi e le loro trasformazioni non è sufficiente

ammettere che esistano le particelle; si devono anche attribuire a queste particelle alcune

proprietà fondamentali:

1. Una particella non si può dividere, è indivisibile

2. Una particella non può cambiare forma, è indeformabile

3. Una particella non può cambiare volume, ha sempre le stesse dimensioni

4. Una particella di un certo corpo ha sempre la stessa quantità di materia (massa)

Questi enunciati costituiscono gli assiomi1 fondamentali del modello particellare della materia;

grazie a essi è possibile prendere in considerazione i corpi materiali e alcuni loro comportamenti a

livello macroscopico e verificare se, ragionando con le particelle, è possibile spiegare tali

comportamenti a livello microscopico.

1 Assioma: proposizione che non ha bisogno di dimostrazione e posta a base dell’ulteriore ricerca.


I CORPI GASSOSI SITUAZIONE SPERIMENTALE 1.

Quando si spinge il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il pistone si

abbassa. Si ha una compressione del gas.

Vediamo ora di mettere in relazione ciò che avviene a livello macroscopico (la compressione del

gas puro) con le possibili spiegazioni a livello microscopico.

Rappresentazione del gas

Livello macroscopico – Nel cilindro è contenuto sempre lo stesso gas puro.

Livello microscopico – Per rappresentare il gas si usa un solo tipo di particella, ossia un solo segno

iconico (Δ, Ο, ▲, Ӿ, ecc.).

Quantità di gas

Livello macroscopico – La quantità di gas puro non cambia.

Livello microscopico – Il numero di particelle rimane invariato. Un assioma afferma che una particella di un certo corpo ha sempre la stessa quantità di materia; di conseguenza, alla stessa

quantità di gas corrisponde lo stesso numero di particelle.

Volume del gas

Livello macroscopico – La quantità di spazio occupato dal gas puro diminuisce notevolmente.

Livello microscopico – Poiché le particelle del gas puro hanno sempre la stessa forma e le stesse

dimensioni, la diminuzione di volume viene spiegata ammettendo che siano ridotti i notevoli spazi

vuoti esistenti fra le particelle di gas prima della compressione.

Rappresentazione

Le relazioni macroscopico/microscopico possono essere schematizzate in questo modo:


LIVELLO MACROSCOPICO LIVELLO MICROSCOPICO

stesso gas puro un solo tipo di particella

stessa quantità di gas stesso numero di particelle

diminuzione notevole di volume

le particelle si avvicinano notevolmente perché

esistono fra loro spazi vuoti molto più grandi delle loro

dimensioni

In base a queste spiegazioni è possibile attribuire alle particelle di un corpo gassoso puro, in

aggiunta ai quattro assiomi fondamentali che abbiamo già visto, le seguenti proprietà:

5. Un solo tipo di particella individua un corpo gassoso puro

6. Un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa quantità

di un corpo gassoso puro

7. Tra le particelle di un corpo gassoso vi sono spazi vuoti molto grandi rispetto alle

dimensioni delle particelle

SITUAZIONE SPERIMENTALE 2

Vi sono due contenitori, separati da un diaframma (Figura 2). Nel contenitore superiore si trova il

gas puro A (incolore), nell’altro il gas puro B (di colore rosso).

Figura 2 – Due contenitori separati da un diaframma

Cosa succede quando si toglie il diaframma che separa i due contenitori?

Livello macroscopico – I gas si mescolano, occupando tutto lo spazio a disposizione all’interno dei

due contenitori. Questo è il fatto che viene percepito (Figura 3).

Gas A (incolore)

Gas B (rosso)

diaframma


Figura 3 – Se si toglie il diaframma, i due gas si mescolano

Livello microscopico – Le particelle dei due gas si mescolano; questo significa che le particelle non

sono vincolate fra di loro e neanche ferme, ma libere di muoversi in modo caotico.

Rappresentazione

Le relazioni macroscopico/microscopico possono essere schematizzate in questo modo


due gas puri diversi due tipi di particelle

i gas si mescolano (i gas occupano tutto il volume a

disposizione nei due contenitori)

le particelle non sono stipate e non sono vincolate le

une alle altre, ma sono libere di muoversi e in

continuo movimento

SITUAZIONE SPERIMENTALE 3

Un palloncino leggermente gonfiato con un gas puro viene immerso nell’acqua di un recipiente; il

palloncino è attaccato a una massa che gli permette di restare nell’acqua. Si riscalda l’acqua del

recipiente

Cosa succede al palloncino in seguito al riscaldamento?

Si toglie il diaframma

Dopo alcuni minuti


Livello macroscopico – La quantità di spazio occupato dal palloncino aumenta. Questo è il fatto

che viene percepito. (Figura 4)

Figura 4 – A seguito del riscaldamento dell’acqua, il palloncino occupa una quantità di spazio maggiore

Livello microscopico – Le particelle del gas puro che si trova nel palloncino sono libere di spostarsi

le une rispetto alle altre. Riscaldando l’acqua, le particelle si muovono più velocemente e urtano

più frequentemente e più intensamente le pareti interne del palloncino che si dilata.

Rappresentazione



il volume del gas è aumentato le particelle sono più lontane di prima

il palloncino si è dilatato

in seguito al riscaldamento le particelle si muovono

più velocemente, urtando le pareti del contenitore

con maggiore intensità

A questo punto è possibile attribuire alle particelle di un corpo gassoso nuove proprietà:


8. Le particelle di un corpo gassoso non sono vincolate le une alle altre e sono in continuo

movimento

9. Le particelle di un corpo gassoso sono libere di muoversi e di spostarsi

10. Le particelle di un corpo gassoso sono disposte in modo disordinato

RAPPRESENTAZIONE DI UN GAS PURO

In conclusione, si può rappresentare un corpo gassoso puro come costituito da un insieme di

particelle molto piccole. Tali particelle hanno le seguenti proprietà:



3. Una particella non può cambiare volume, ha sempre le stesse dimensioni

4. Una particella di un corpo gassoso puro non può cambiare massa; essa ha sempre la

stessa quantità di materia, che cambia al cambiare del corpo gassoso puro

5. Un solo tipo di particella individua un corpo gassoso puro


di un corpo gassoso puro

7. Tra le particelle di un corpo gassoso puro vi sono spazi vuoti molto grandi rispetto alle


8. Le particelle di un corpo gassoso puro non sono stipate tra loro, non sono vincolate le une

alle altre e sono in continuo movimento

9. Le particelle di un corpo gassoso puro sono libere di spostarsi

10. Le particelle di un corpo gassoso puro sono disposte in modo disordinato

Questi enunciati proprietà costituiscono il modello particellare di un corpo gassoso puro.

I CORPI SOLIDI

Prendiamo in considerazione il sistema costituito da un anello e una sfera di ferro sospesa a un

filo. Prima di essere riscaldata, la sfera passa attraverso l’anello. Si riscalda la sfera con una

fiamma. Dopo il riscaldamento, la sfera non passa più attraverso l’anello.


In seguito al riscaldamento, la quantità di ferro della sfera non cambia. Per contro, la quantità di

spazio occupato dalla sfera, ossia il suo volume, aumenta; infatti la sfera non passa più attraverso

l’anello: si tratta di un fenomeno di dilatazione. Come al solito, vediamo di spiegare con le

particelle, ossia a livello microscopico, ciò che avviene a livello macroscopico.

VOLUME DEL SOLIDO

Livello macroscopico – La sfera si dilata, ossia il suo volume aumenta.

Livello microscopico – In base a un assioma del modello particellare, le particelle non cambiano di

dimensione. Quindi la dilatazione della sfera può essere spiegata in un solo modo: ammettendo

che aumentino le dimensioni degli spazi vuoti fra le particelle. La dilatazione non è percepibile a

occhio nudo e quindi di scarsa entità; si può quindi pensare che gli spazi vuoti che esistono tra le

particelle siano molto piccoli rispetto alle dimensioni delle particelle.

FORMA DEL SOLIDO

Livello macroscopico – La sfera conserva la propria forma.

Livello microscopico – Le particelle sono vincolate l’una all’altra, ossia non sono libere di spostarsi.

La conservazione della forma da parte della sfera implica anche la conservazione della posizione

reciproca delle particelle: le particelle sono disposte secondo un ordine che viene mantenuto

durante la dilatazione della sfera.

RAPPRESENTAZIONE



il volume della sfera è aumentato le particelle sono più lontane di prima (con il

riscaldamento le particelle si allontanano)

la dilatazione della sfera è di modesta entità gli spazi vuoti fra le particelle sono più piccoli

delle dimensioni delle particelle

la sfera mantiene la propria forma le particelle sono vincolate tra loro e disposte in

modo ordinato


Se si tiene conto di queste relazioni macroscopico/microscopico, alcune asserzioni relative ai corpi

gassosi devono essere modificate per poter essere utilizzate con i corpi solidi. Più precisamente si

tratta delle asserzioni numero 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10 le quali vengono così modificate:

4. Una particella di un corpo solido puro ha sempre la stessa quantità di materia, che cambia

al cambiare del corpo solido puro

5. Un solo tipo di particella individua un corpo solido puro


di un corpo solido puro

7. Tra le particelle di un corpo solido puro vi sono piccoli spazi vuoti, molto piccoli rispetto alle


8. Le particelle di un corpo solido puro sono stipate tra loro e fortemente vincolate l’una

all’altra

9. Le particelle di un corpo solido puro non sono libere di spostarsi

10. Le particelle di un corpo solido puro sono disposte in modo ordinato

I CORPI LIQUIDI

Prendiamo in considerazione la seguente situazione sperimentale: in un matraccio (recipiente col

fondo piatto e con il collo lungo), si introduce dell’acqua (corpo liquido puro), precedentemente

riscaldata a circa 70 °C. Dopo aver tappato il recipiente, si segna con un pennarello il livello a cui

arriva l’acqua. In seguito, si lascia raffreddare il sistema (matraccio + acqua) fino a temperatura

ambiente e si nota che il livello dell’acqua è diminuito.

VOLUME DEL LIQUIDO

Livello macroscopico – In seguito al raffreddamento, la quantità di acqua presente nel matraccio

non cambia. Per contro, la quantità di spazio occupato dall’acqua, ossia il suo volume, diminuisce;

infatti il livello dell’acqua nel matraccio si abbassa: si tratta di un fenomeno di contrazione. Come

al solito, vediamo di spiegare con le particelle, ossia a livello microscopico, ciò che avviene a livello

macroscopico.

Livello microscopico – In base a un assioma fondamentale del modello particellare, le particelle

non cambiano di dimensione. Prendendo in considerazione le conclusioni cui si è giunti per i corpi

gassosi e quelli solidi, si può ipotizzare che la diminuzione di volume sia dovuta alla diminuzione

della distanza tra le particelle, ossia a una diminuzione delle dimensioni degli spazi vuoti fra le


particelle. Dato che la contrazione è percepibile a occhio nudo, si può pensare che gli spazi vuoti

che esistono tra le particelle possano cambiare in modo più rilevante di quello che avviene tra le

particelle di un corpo solido.

FORMA DEL LIQUIDO

Livello macroscopico – Il liquido non ha forma propria, ma si adatta alla forma del recipiente che lo

contiene.

Livello microscopico – Le particelle di un corpo liquido sono ancora stipate, ma meno che nei corpi

solidi e quindi risultano relativamente libere di muoversi l’una rispetto all’altra. Quindi,

contrariamente a quanto avviene nei corpi solidi, le particelle di un corpo liquido non sono disposte

in modo ordinato.

RAPPRESENTAZIONE



il volume dell’acqua è diminuito le particelle sono più vicine di prima (con il

raffreddamento le particelle si avvicinano)

la diminuzione di volume è di modesta entità lo spazio tra le particelle è minore della

dimensione delle particelle

l’acqua non ha una forma propria e si adatta alla

forma del recipiente

le particelle non sono troppo stipate fra loro e

sono disposte in modo disordinato

Se si tiene conto di queste relazioni macroscopico/microscopico, alcune asserzioni relative ai corpi

gassosi e ai corpi solidi devono essere modificate per poter essere utilizzate con i corpi liquidi. Più

precisamente si tratta delle asserzioni numero 4, 5, 6, 7, 8, 9 e 10 le quali vengono così modificate:

4. Una particella di un corpo liquido puro ha sempre la stessa quantità di materia, che

cambia al cambiare del corpo liquido puro

5. Un solo tipo di particella individua un corpo liquido puro

6. Un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa

quantità di un corpo liquido puro

7. Tra le particelle di un corpo liquido puro vi sono spazi vuoti più piccoli delle loro

dimensioni


8. Le particelle di un corpo liquido puro sono stipate fra di loro ma non sono fortemente

vincolate le une alle altre

9. Le particelle di un corpo liquido puro sono abbastanza libere di muoversi

10. Le particelle di un corpo liquido puro sono disposte in modo abbastanza disordinato

L’avverbio «abbastanza» segnala che i corpi liquidi si trovano in una situazione particolare. Infatti

le particelle che li costituiscono sono stipate fra di loro, come avviene nei corpi solidi, ma sono

vincolate fra di loro meno fortemente delle particelle dei corpi solidi. Inoltre le particelle dei corpi

liquidi sono disposte in modo disordinato, come avviene nei corpi gassosi. Per questi motivi risulta

alquanto difficile produrre rappresentazioni iconiche adeguate dei corpi liquidi.

Tenendo conto della formulazione delle asserzioni relative ai corpi solidi, liquidi e gassosi è

possibile pervenire ad asserzioni generali che costituiscono il modello particellare della materia.

Dall’analisi delle asserzioni relative ai singoli stati fisici, risulta che le prime cinque sono valide per

tutti i corpi: solidi, liquidi e gassosi; le altre cambiano a seconda dello stato fisico in cui il corpo si

trova.

Per un generico corpo puro, le asserzioni generali del modello particellare della materia possono

essere così formulate:



3. Una particella ha sempre le stesse dimensioni

4. Una particella di una certo corpo puro ha sempre la stessa quantità di materia, che

cambia al cambiare del corpo puro

5. Un solo tipo di particella individua un corpo puro


quantità di corpo puro

7. Tra le particelle esistono spazi vuoti più o meno grandi secondo lo stato fisico del

corpo puro

8. Le particelle sono più o meno stipate tra loro e più o meno vincolate l’una all’altra

secondo lo stato fisico del corpo puro

9. Le particelle sono più o meno libere di muoversi e/o spostarsi secondo lo stato fisico

del corpo puro

10. Le particelle sono disposte in modo più o meno ordinato secondo lo stato fisico del

corpo puro


IL CONCETTO DI SOSTANZA

Tenendo conto della formulazione delle asserzioni relative ai corpi solidi, liquidi e gassosi è

possibile pervenire ad asserzioni generali che costituiscono il modello particellare della materia.

Dall’analisi delle asserzioni relative ai singoli stati fisici, risulta che le prime cinque sono valide per

tutti i corpi: solidi, liquidi e gassosi; le altre cambiano a seconda dello stato fisico in cui il corpo si

trova.

Particolare importanza assume l’asserzione numero 5, secondo la quale un corpo puro, in

qualsiasi stato fisico esso si trovi, è caratterizzato da un solo tipo di particella. I chimici usano la

parola sostanza per indicare un corpo puro e quindi si può dare della sostanza la seguente

definizione:

Una sostanza è una porzione di materia costituita di un unico tipo di particelle

Le asserzioni generali del modello particellare della materia possono essere così formulate:



3. Una particella ha sempre le stesse dimensioni

4. Una particella di una certa sostanza ha sempre la stessa quantità di materia, che

cambia al cambiare della sostanza

5. Un solo tipo di particella individua una sostanza


quantità di sostanza

7. Tra le particelle esistono spazi vuoti più o meno grandi secondo lo stato fisico della

sostanza

8. Le particelle sono più o meno stipate tra loro e più o meno vincolate l’una all’altra

secondo lo stato fisico della sostanza

9. Le particelle sono più o meno libere di muoversi e/o spostarsi secondo lo stato fisico

della sostanza

10. Le particelle sono disposte in modo più o meno ordinato secondo lo stato fisico della

sostanza

Nella figura che segue sono riportate le rappresentazioni, mediante il modello particellare, della

stessa sostanza allo stato solido, allo stato liquido e allo stato gassoso.


MASSA VOLUMICA, NUMERO DI PARTICELLE E TEMPERATURA

Prendiamo in considerazione l’asserzione n° 4 del modello particellare:

4 - Una particella di una certa sostanza ha sempre la stessa quantità di materia, che cambia al

cambiare della sostanza

Come abbiamo visto, la massa volumica (densità) di un corpo è il rapporto tra quantità di materia

di cui è costituito (massa) e la quantità di spazio che occupa (volume). Se si prendono volumi

uguali di due sostanze diverse contenenti lo stesso numero di particelle, non possiamo affermare

che possiedano la stessa densità; il corpo costituito da particelle di massa maggiore avrà una

massa maggiore e quindi, a parità di volume, la sua densità sarà maggiore di quella del corpo le

cui particelle sono di massa minore.

D’altra parte, se si prendono due campioni della stessa sostanza aventi lo stesso volume ma

temperature diverse, risulta che possiedono masse volumiche diverse. Come abbiamo visto,

quando si scalda un corpo, esso subisce una dilatazione ossia aumenta la quantità di spazio che

occupa. L’interpretazione particellare giustifica la dilatazione del corpo ammettendo che le

particelle di cui è costituito si allontanino tra loro. Ne consegue che, se una sostanza viene

riscaldata, il numero di particelle presenti nello stesso volume diminuisce. Dato che vale sempre il

punto 4 del modello particellare, a parità di volume la massa del corpo diminuisce e quindi

diminuisce la sua densità.

In conclusione, se aumentando la temperatura di una sostanza se ne provoca la dilatazione, la sua

densità diminuisce; diminuendo la temperatura di una sostanza se ne provoca la contrazione e la

sua densità aumenta.

Per questo motivo, quando si misura la densità di una sostanza, è importante specificare a quale

temperatura viene effettuata la misurazione.

La densità di una sostanza è costante a temperatura costante.

RETICOLO DI CONCETTI

Utilizzando la lista di concetti di seguito proposta, costruisci un reticolo di concetti che, secondo te,

riassuma le idee, le definizioni, le affermazioni che sono contenute nelle attività affrontate nella

sequenza riguardante il modello particellare della materia. Associa al reticolo una lista di asserzioni

che esplicitino quali connessioni esistano tra i vari concetti. Se lo ritieni necessario o comunque

utile, aggiungi altri concetti nella costruzione del reticolo.

corpo, miscela di sostanze, identità, particelle, proprietà macroscopiche, modello particellare, stati fisici di aggregazione, sostanza


ESERCIZI E PROBLEMI

1. Si riscalda, per un tempo limitato, una beuta in pyrex contenente un gas puro e collegata a una

siringa, come mostrato nella figura:

a. Secondo te, dopo il riscaldamento, lo stantuffo della siringa:

q si è spostato più in alto q si è spostato più in basso q è rimasto nella stessa

posizione

Giustifica la tua scelta: ………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………:

b. Rappresenta il gas puro nella beuta prima e dopo il riscaldamento.

2. Rappresenta due lamine di alluminio, prima e dopo il loro riscaldamento. La lamina A ha una

massa doppia rispetto alla lamina B.

lamina A lamina B

prima del riscaldamento

dopo il riscaldamento

Spiega le tue rappresentazioni: …………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………………………………………………………..

3. Quando spingiamo il pistone di un cilindro a tenuta, nel quale si trova un gas puro, il cilindro si

abbassa. Rappresenta nel riquadro A il gas prima della compressione, nel riquadro B il gas dopo

una prima compressione, nel riquadro C il gas dopo un’ulteriore compressione.


Giustifica le tue rappresentazioni: …………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………….

4. In una bombola è contenuta una miscela di due gas così composta:

Gas 1: metano (70%) [oppure: anidride carbonica (40%)]

Gas 2: idrogeno (30%) [oppure: argon (60%)]

Rappresenta la miscela nella bombola.

Giustifica la tua rappresentazione: …………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………..

5. Come mai i corpi si dilatano se vengono riscaldati?

6. Consideriamo la forma e il volume: in quali stati fisici queste caratteristiche sono definite?

7. Si riscalda per un tempo limitato un palloncino contenente un gas puro:

Rappresenta il gas contenuto nel palloncino prima e dopo il riscaldamento.

prima dopo

8. Nella figura è rappresentato l’esperimento di Torricelli con i tubi pieni di mercurio.

a. Che cosa c’è nello spazio E sopra il mercurio? …………………………………….

b. Quale modello della materia fu reso più plausibile dall’esperimento di Torricelli?

q quello di Aristotele qquello di Democrito

3. la struttura della materia - unito.it...materia, risulta essenziale per spiegare la possibilità...

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