La Materia

Tra gli argomenti di scienze maggiormente richiesti nell’ambito dei concorsi pubblici, vi è la “Materia“.

Interrogando il nostro database (2.000.000 di quiz), abbiamo sintetizzato in questa voce le nozioni che di regola sono oggetto di domanda nell’ambito delle prove concorsuali.

Terminata la lettura potrai esercitarti con il Simulatore Quiz di Concorsando.it aggiungendo alla tua area di studio il percorso formativo “Scienze”.

Ti ricordiamo che quello che stai leggendo è un voce del nostro “glossario” che, in quanto tale, è soggetto a periodici aggiornamenti. 

La materia

Nozione

La materia è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una sua massa.

La materia è composta da atomi.

Ogni atomo possiede proprietà peculiari, derivanti dalla sua struttura atomica.

Atomi

L’atomo (dal greco a (negazione) + tomê (divisione)), così chiamato perché inizialmente considerato l’unita più piccola ed indivisibile della materia, è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche.

In particolare, l’atomo è composto da un nucleo carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli vibrano attorno senza un’orbita precisa (l’elettrone si dice infatti delocalizzato), nei cosiddetti gusci elettronici.

Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica. Gli elettroni sono 1840 volte più leggeri dei protoni, per cui si può dire che la massa dell’atomo è tutta concentrata nel nucleo.

Si definiscono due quantità per identificare ogni atomo:

• numero di massa: la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo;
• numero atomico: il numero dei protoni nel nucleo, che corrisponde al numero di elettroni esterni a esso. Per ricavare il numero dei neutroni si sottrae al Numero di massa il Numero atomico.

Se il numero di elettroni in un atomo è pari a quello dei protoni, si dice che la sua carica netta, data dalla differenza tra protoni e elettroni, è nulla.

L’atomo con una carica netta diversa da zero viene chiamato ione. Se gli elettroni sono più dei protoni l’atomo risulta carico negativamente (ione negativo), viceversa se i protoni sono più degli elettroni risulta carico positivamente (ione positivo). Due atomi possono differire anche nell’avere numero atomico uguale ma diverso numero di massa: simili atomi sono detti isotopi ed hanno medesime proprietà chimiche. Un esempio di ciò è l’atomo di idrogeno: in natura è presente in grande maggioranza formato da un protone ed un elettrone. Vi è però, in minore quantità, anche il deuterio che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone (con esso si forma l’acqua pesante) e il trizio (estremamente raro) formato da un protone, due neutroni ed un elettrone. Chimicamente, idrogeno, deuterio e trizio hanno però identiche proprietà.

Ad esempio:

• H: l’atomo di idrogeno contiene un protone ed un elettrone; la sua carica netta è nulla;
• H⁺: ione positivo dell’idrogeno che ha ceduto un elettrone ed è rimasto con un solo protone carico positivamente, la sua carica netta è pari a +1;
• O²: ione negativo dell’ossigeno che nel suo stato fondamentale ha 8 protoni ed 8 elettroni; qui ha acquistato due elettroni e quindi presenta una carica netta pari a –2.

Gli elettroni determinano sia se un atomo reagirà con altri, sia come reagirà.

L’idrogeno (caso a) che ha un solo elettrone sarà rappresentabile con un nucleo centrale ed un elettrone che si muove all’interno del primo livello energetico (il primo livello energetico può contenere fino a due elettroni)

L’ossigeno (caso b) con 8 elettroni avrà 2 livelli energetici, dei quali il primo può contenere solo due elettroni, mentre il secondo ne contiene 6, anche se in realtà può accettarne fino ad 8. Questo spiega la tendenza dell’ossigeno ad acquistare elettroni trasformandosi in O².

Gli atomi tendono infatti a completare il loro livello energetico esterno riempendolo col massimo numero di elettroni che può contenere. Una tale situazione conferisce loro una maggiore stabilità.

Una reazione chimica consiste in una ridistribuzione degli atomi in molecole o aggregati diversi da quelli esistenti precedentemente e quindi nella formazione di sostanze nuove, costituite dagli stessi elementi di quelli da cui hanno preso origine.

Queste trasformazioni comportano solitamente la rottura di alcuni legami nei reagenti e la formazione di nuovi legami, che andranno appunto a caratterizzare i prodotti.

Radioattività

La radioattività può definirsi come una fuga molto veloce di particelle o gruppi di particelle dall’interno di un nucleo.

In molti casi può liberarsi energia, e pertanto questo tipo di radiazione non è particellare ma è costituito da onde elettromagnetiche come quelle della luce.

La rottura dell’equilibrio delle forze provoca il fenomeno della radioattività, può essere spontanea o indotta artificialmente.

Il fenomeno di rottura dell’equilibrio con emissione di particelle o energia si chiama disintegrazione nucleare.

Tipi di radiazioni

La disintegrazione dei nuclei può provocare come visto, l’emissione di componenti di vario tipo, ne conseguono diverse forme di radioattività.

• radiazioni alfa: radiazione corpuscolare composta da due protoni e due neutroni, è dotata di due cariche positive (dovute ai protoni). Molto ionizzante-debolmente penetrante (100 volte meno dei raggi beta) fa circa 7 cm di percorso in aria;
• radiazioni beta: radiazione corpuscolare dotata di una carica negativa, è simile all’elettrone, da cui differisce solo per la sua origine nucleare. Molto ionizzante-debolmente penetrante (100 volte meno dei raggi gamma) in aria percorre circa 5 mt;
• radiazione gamma: radiazione elettromagnetica simile alla luce, ovviamente, priva di carica elettrica e di massa. Poco ionizzante-molto penetrante. In aria percorre circa 3 km;
• radiazione x: radiazione elettromagnetica simile alla gamma da cui differisce per la sua origine, in generale per l’energia associata. Poco ionizzante-fortemente penetrante.

Sostanze

Gli atomi, aggregandosi in molecole. Le molecole, che non sono altro che un insieme di atomi uniti da un legame chimico, sono rappresentate da una formula e un nome. La formula descrive la composizione della sostanza attraverso i simboli degli elementi in essa contenuti. Ad esempio l’ossido di ferro, indicato come FeO, contiene un atomo di ferro e uno di ossigeno. Spesso nelle formule sono presenti gli indici che rappresentano il numero di atomi di quell’elemento contenuti nella molecola. Così ad esempio in H₂O, il 2 sta a indicare che in ogni molecola di acqua ci sono 2 atomi di idrogeno ed 1 di ossigeno; nel metano (CH₄) si ha un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno, formano i vari tipi di sostanze con cui si presenta la materia (tali sono, per es. il vetro, l’acciaio, l’acqua, etc.).

Ad esempio, l’ossigeno, è formato da una molecola fatta con due atomi di ossigeno, mentre l’acqua è una molecola composta da due atomi di idrogeno legati ad un atomo di ossigeno.

Le molecole, e dunque le sostanze, si formano attraverso una reazione chimica che consiste in una rottura e formazione di legami chimici tra atomi. Fra le molecole di una stessa sostanza esiste una certa simpatia per cui si attirano fra loro cercando di stare vicine. La forza che attira le molecole di una stessa sostanza si chiama coesione. Tale forza può essere notevole e allora le molecole restano vicine, qualche volta invece la coesione è minore e allora le molecole scorrono le une sulle altre. In alcune sostanze, al contrario, non esiste questa simpatia molecolare e le molecole invece di avvicinarsi tendono ad allontanarsi. Tale proprietà è chiamata espansione. La forza di attrazione che si determina tra molecole di corpi diversi chiamasi adesione. L’acqua bagna il vetro perché vi aderisce e cioè l’adesione dell’acqua con il vetro supera la coesione delle molecole dell’acqua, la matita scrive su un foglio di carta perché la graffite aderisce alla carta.

Sostanze pure

Le sostanze pure hanno una composizione fissa e ben definite proprietà chimico-fisiche. Comprendono elementi e composti.

Elementi

Gli elementi sono sostanze pure che non possono essere suddivise in altre sostanze pure ancora più semplici (per es., ossigeno, ferro, iodio).

Un elemento chimico è una sostanza pura costituita da un unico tipo di atomi, quelli che appunto lo caratterizzano e si distinguono da quelli degli altri elementi per il numero atomico.

Gli elementi possono presentarsi in diverse forme:

• sotto forma monoatomica: i gas nobili (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).
• sotto forma molecolare: alcuni esempi sono H₂, N₂, O₂, O₃, F₂, P₄, S₈, Cl₂, Br₂, I₂.
• sotto forma di insieme continuo (cristallino o amorfo) di atomi legati in modo covalente: per esempio C, Si, B, Sb.
• sotto forma metallica: la maggior parte degli elementi sono metalli, alcuni esempi sono il ferro, il sodio, l’oro, il calcio, l’uranio.

Lo stesso elemento può esistere in diverse forme allotropiche come il diamante e la grafite, nei quali il carbonio possiede strutture cristalline diverse, oppure l’ossigeno diatomico O₂ e l’ozono O_3, che differiscono per la struttura molecolare.

Gli elementi vengono armoniosamente classificati nella tavola periodica, uno strumento di sintesi estremamente potente.

Gli elementi rinvenuti sulla Terra sono 91 (dall’idrogeno all’uranio con esclusione di tecnezio e promezio) di cui 81 hanno almeno un isotopo stabile, al momento ne sono stati preparati artificialmente altri 26, quindi in totale sono noti 117 elementi.

Composti

I composti sono sostanze pure formate da due o più elementi combinati in proporzioni fisse e definite (per es., acqua, carbonato di calcio, ammoniaca).

L’acqua

L’acqua è il composto più diffuso ed e abbondanteabbondante sulla Terra. La sua molecola è H₂O: due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. La molecola dell’acqua è costituita da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno, disposti a formare un angolo di circa 104°. L’alta elettronegatività dell’ossigeno, che consiste nella sua proprietà di attirare con maggior forza gli elettroni di legame, fa sì che la distribuzione delle cariche elettriche nella molecola non sia uniforme, ma polare. Questa caratteristica è responsabile di diverse proprietà specifiche dell’acqua, tra cui il fatto di avere una densità maggiore allo stato liquido che allo stato di ghiaccio.

Dal punto di vista chimico, l’acqua è uno dei solventi più comuni; favorisce la ionizzazione (Ionizzazione: formazione di atomi o molecole elettricamente carichi). Allo stato fondamentale gli atomi sono elettricamente neutri, perché il numero degli elettroni, di carica negativa, uguaglia quello dei protoni, di carica positiva. Quando, ad esempio, il sodio si combina con il cloro per formare cloruro di sodio, ogni atomo di sodio trasferisce un elettrone all’atomo di cloro, generando uno ione sodio con carica positiva e uno ione cloro con carica negativa. Nel cristallo che si genera in seguito a questo processo, l’attrazione elettrostatica fra ioni di cariche opposte è così forte da determinare la formazione di un legame ionico che tiene gli atomi estremamente vicini, dei sali e delle molecole in soluzione; reagisce con alcuni sali trasformandoli nelle rispettive forme idrate, con gli ossidi formando acidi e idrossidi, e partecipa come catalizzatore in molte reazioni chimiche.

L’acqua pura è un liquido inodore e insapore, che presenta una debole colorazione blu osservabile solo nelle acque profonde. A pressione atmosferica, ha punto di fusione 0 °C e punto di ebollizione 100 °C; raggiunge la massima densità, pari a 1 g/cm³, alla temperatura di 4 °C e solidifica aumentando di volume.

L’acqua è l’unica sostanza che si trova in natura nei tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso.

Allo stato solido è presente sotto forma di ghiaccio, nella neve, nella grandine, nella brina e nelle nubi; allo stato liquido si trova sotto forma di pioggia e rugiada, ma soprattutto ricopre i tre quarti della superficie terrestre costituendo oceani, mari, laghi e fiumi; allo stato gassoso, infine, è presente come nebbia e vapore ed è il principale costituente delle nuvole. La quantità di vapore presente nell’atmosfera viene espressa per mezzo del tasso di umidità relativa, calcolato come il rapporto tra la quantità di vapore acqueo presente a una determinata temperatura e il valore massimo possibile nelle stesse condizioni termiche. Per effetto della gravità, l’acqua filtra attraverso il terreno e le rocce nel sottosuolo, dove va a costituire la falda che alimenta i pozzi e le sorgenti dei corsi d’acqua. L’acqua costituisce una frazione compresa tra il 50 e il 90% del peso corporeo degli organismi viventi, potendo raggiungere in alcuni invertebrati marini addirittura il 95% del peso totale. Il protoplasma cellulare è una soluzione colloidale macromolecolare in cui l’acqua rappresenta l’elemento disperdente; grassi, carboidrati, proteine, sali e altre sostanze chimiche vengono disciolte e trasportate in soluzione acquosa, e ciò permette le numerose reazioni chimiche indispensabili per i cicli fisiologici. Il sangue degli organismi animali e la linfa delle piante sono costituiti prevalentemente da acqua, che ha la funzione di trasportare le sostanze nutritive e di rimuovere i prodotti di rifiuto. L’acqua svolge inoltre un ruolo fondamentale nel metabolismo delle cellule, prendendo parte a diverse reazioni di idrolisi. L’acqua ha sul nostro pianeta un ciclo costante, che ha inizio con l’evaporazione dai suoli e dalla vegetazione, dalla superficie degli oceani, dei laghi e in generale di tutti i corpi idrici presenti sulla terraferma. L’umidità atmosferica prodotta dall’evaporazione condensa in nubi, che successivamente restituiscono l’acqua alla superficie terrestre sotto forma di precipitazioni: pioggia, neve e grandine. Le precipitazioni ripristinano continuamente l’umidità del suolo e rialimentano le falde acquifere sotterranee, ma soprattutto, attraverso il deflusso superficiale di ruscelli, torrenti e fiumi, restituiscono l’acqua al mare, chiudendo così il ciclo. La disciplina che studia la distribuzione dell’acqua sulla superficie terrestre in tutte le fasi del ciclo è l’idrologia.  Poiché l’acqua ha un elevato potere solvente, raramente può essere trovata in natura allo stato puro. La pioggia e la neve, ad esempio, assorbono dall’atmosfera anidride carbonica e altri gas, nonché tracce di sostanze organiche e inorganiche. L’acqua discioglie le sostanze minerali presenti nelle rocce e nel suolo, arricchendosi di composti chimici quali solfati, cloruri e carbonati di sodio, potassio, calcio e magnesio. L’acqua di superficie spesso contiene sostanze inquinanti di origine industriale, agricola e domestica. Nei pozzi poco profondi sono presenti quantità variabili di composti azotati e clorurati di derivazione umana e animale; mentre i pozzi più profondi sono ricchi principalmente di sali minerali. Nell’acqua potabile sono normalmente presenti quantità rilevanti di fluoruri. Nell’acqua marina, oltre al cloruro di sodio, sono contenuti numerosi altri sali, che derivano dalla continua azione di dilavamento che le acque dei fiumi operano sugli strati superficiali del terreno. L’apporto d’acqua dolce, nei mari e negli oceani, viene equilibrato dal processo di evaporazione che mantiene pressoché costante la concentrazione dei sali..

Miscele

Una miscela è una materia formata da due o più sostanze che conservano ognuna le proprie caratteristiche. Le miscele si dividono in miscugli e soluzioni.

Un miscuglio è una miscela eterogenea, in cui le singole sostanze sono separate (acqua e sabbia).

Una soluzione è una miscela omogenea in cui le singole sostanze non si distinguono più.

Gli stati di aggregazione della materia (o fasi)

La materia che forma le varie sostanze è costituita da particelle piccolissime (atomi e molecole), tra le quali si esercitano forza di attrazione più o meno intense.

Queste forze di attrazione sono all’origine dei tre diversi stati di aggregazione in cui può esistere la materia: quello gassoso, quello liquido e quello solido. Nella scienza moderna in realtà questa semplice classificazione risulta inadeguata a descrivere esaustivamente le numerose possibilità che ha la materia di organizzarsi. Il plasma è stato probabilmente il primo nuovo stato della materia ad essere aggiunto a questa catalogazione, ma ce ne sono molti altri, i quali compaiono in condizioni particolari di temperatura e pressione come i vari tipi di ghiaccio (denominati ghiaccio I, ghiaccio II, ghiaccio III e così via fino al ghiaccio X) e lo stato superfluido che l’elio raggiunge a bassissime temperature. Altri stati della materia di moderna concezione sono lo stato supercritico, colloidale, Condensato di Bose – Einstein e lo stato di cristallo liquido.

Una stessa sostanza può esistere in più stati di aggregazione, a seconda delle condizioni ambientali (temperatura e pressione): tipico esempio è l’acqua che può essere presente come solido (giaccio), come liquido e come gas (vapor d’acqua).

Stato solido

Nello stato solido le molecole (o, a seconda dei casi, gli atomi) che compongono la materia sono strettamente legate fra loro e formano un reticolo cristallino rigido o una struttura amorfa isotropa. In altri termini nei corpi solidi la forza di coesione tra le molecole è grande.

I solidi sono poco comprimibili (nel senso che di solito non diminuiscono il loro volume se sono compressi) e hanno una forma e un volume proprio.

Stato gassoso o aeriforme

Nello stato gassoso le molecole interagiscono solo debolmente e si muovono indipendentemente le une dalle altre occupando tutto il volume loro disponibile.

Le sostanze gassose non hanno pertanto forma né volume propri e sono comprimibili (nel senso che diminuiscono il loro volume se opportunamente compressi).

Stato liquido

Nello stato liquido le molecole sono legate solo debolmente e, sebbene siano ben compatte fra loro, sono libere di scorrere le une sulle altre.

Le sostanze liquide pertanto hanno volume ma non forma propria (in particolare assumono la forma del recipiente che li contiene).

I cambiamenti di stato della materia.

Introduzione

Le forze di attrazione tra le particelle, e quindi la loro mobilità, sono influenzate dalla somministrazione o dalla perdita di energia, sotto forma di calore: l’acquisto di calore aumenta la mobilità delle sue particelle, indebolendo le forze di attrazione; la perdita di calore provoca l’effetto opposto.

Variazioni di temperatura (e di pressione) possono quindi determinare il passaggio della materia da uno stato di aggregazione a un altro.

Questi passaggi vengono definiti cambianti o passaggi di stato.

Fusione

La fusione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido mediante somministrazione di calore.

La temperatura (a pressione atmosferica costante) che permette ad un solido di fondersi viene detta temperatura di fusione o punto di fusione.

Solidificazione

Si definisce solidificazione il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato solido mediante sottrazione di calore

In particolare la solidificazione avviene quando la temperatura scende al di sotto di una temperatura caratteristica, che varia da sostanza a sostanza, detta punto di solidificazione. Il punto di solidificazione coincide con la temperatura di fusione in quanto coincide con la temperatura a cui avviene il fenomeno inverso della solidificazione ovvero la fusione.

La solidificazione si può ottenere anche per aumento di pressione, o per una combinazione di questa con il raffreddamento.

Sublimazione

La sublimazione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido direttamente allo stato gassoso (senza passare allo stato liquido) mediante somministrazione di calore.

Vaporizzazione

La vaporizzazione è il passaggio di una sostanza dallo stato liquido allo stato gassoso mediante  somministrazione di calore.

Si distingue:

• in evaporazione, se il passaggio è graduale e avviene alla superficie del liquido (esso può avvenire a qualsiasi temperatura)
• in ebollizione, quando il passaggio è tumultuoso e interessa l’interessa massa liquida.

Ebollizione

L’ebollizione si verifica quando la tensione di vapore. La pressione di vapore o tensione di vapore di una sostanza è la pressione parziale del suo vapore a cui si verifica l’equilibrio fra la fase liquida e la fase gassosa ed è strettamente dipendente dalla temperatura. Quando c’è questa condizione di equilibrio dinamico tra il liquido e il suo vapore, si parla di Vapore Saturo. Durante questa fase di apparente stabilità macroscopica fra il liquido e il vapore, il numero di molecole che, per unità di tempo, abbandonano il liquido (evaporazione) è in media uguale a quello delle molecole che vi rientrano (condensazione). La pressione esercitata dal vapore viene chiamata pressione del vapore saturo, poiché, quando il volume sovrastante il liquido è saturo, esso non può più contenere altre molecole in fase gassosa, sicché per quella particolare temperatura la pressione presenta il suo valore massimo. La pressione del vapore saturo di un liquido aumenta al crescere della temperatura perché le molecole acquistano via via un’energia cinetica più alta ed hanno così una maggiore tendenza ad evaporare. La temperatura alla quale la pressione di vapore coincide con quella atmosferica è la temperatura di ebollizione. Infatti dall’andamento della pressione del vapore saturo dell’acqua, in funzione della temperatura, si può osservare che a 100 °C la pressione del vapore è quella atmosferica, del liquido eguaglia la pressione.

Siccome la tensione di vapore non è mai nulla, abbassando sufficientemente la pressione si può provocare l’ebollizione a temperature anche vicine al punto di congelamento. Per questo motivo, nello spazio esterno alla Terra non esistono corpi liquidi, se non racchiusi in atmosfere che esercitino una sufficiente pressione gravitazionale. Viceversa, alzando la pressione a temperatura costante si interrompe l’ebollizione.

Siccome la tensione di vapore aumenta, all’aumentare della temperatura, si ha che, a parità di temperatura, raffreddando un liquido in ebollizione, l’ebollizione cessa, mentre scaldando un liquido non in ebollizione, lo si porta in ebollizione. Tuttavia, continuando a scaldare un liquido già in ebollizione, se si mantiene costante la pressione, la temperatura non aumenta, in quanto tutto il calore somministrato viene assorbito dal fenomeno dell’evaporazione. Pertanto, la temperatura di ebollizione a una data pressione è una caratteristica di una sostanza o miscuglio, detta “punto di ebollizione”.

Il punto di ebollizione varia in presenza di composti disciolti nel liquido in esame (ossia di un soluto). L’ebollizione dell’acqua: se la pressione atmosferica è di 1 Atm, la temperatura di ebollizione dell’acqua è di 100 °C; per valori di pressione inferiori, anche la temperatura di ebollizione è più bassa. È questo il motivo per cui in montagna, dove la pressione atmosferica è minore di quella misurabile al livello del mare, l’acqua bolle a una temperatura inferiore e i cibi cuociono in tempi più lunghi. Al contrario, nella pentola a pressione, dove viene creato un ambiente a pressione molto elevata, anche la temperatura di ebollizione è maggiore, e i cibi cuociono in tempi più rapidi.

Condensazione

La condensazione è il passaggio di una sostanza dallo stato gassoso allo stato liquido  mediante sottrazione di calore.

Brinazione (o brinamento)

La brinazione è il passaggio di una sostanza dallo stato gassoso direttamente allo stato solido mediante sottrazione di calore.

L’origine del termine italiano si ricollega alla brina che si forma sull’erba quando, a causa delle basse temperature, il vapor acqueo nell’aria si trasforma in aghetti di ghiaccio che si depositano sull’erba.

Le reazioni chimiche

Per reazione chimica si intende il processo chimico, che avviene senza variazioni misurabili di massa, in cui due o più sostanze interagiscono, trasformandosi in sostanze con composizione molecolare diversa da quella di partenza.

Le sostanze che interagiscono sono dette reagenti, quelle finali prodotti.

I fenomeni che hanno luogo durante una reazione chimica vengono rappresentati mediante una equazione chimica.

Le reazioni chimiche non provocano un cambiamento di natura della materia, perché non influenzano i suoi costituenti fondamentali (gli atomi) ma solo la maniera in cui sono aggregati in molecole; non influenzano nemmeno l’aggregazione di molecole simili, quindi le trasformazioni puramente fisiche, come i cambiamenti di stato (fusione, solidificazione, evaporazione, ebollizione…), l’usura e l’erosione, la frattura, etc. non sono reazioni chimiche.

Allo stesso modo, non fanno parte delle reazioni chimiche le trasformazioni dei nuclei atomici, cioè le reazioni nucleari. Pur tuttavia tali reazioni assumono anche un certo interesse in chimica e vengono studiate dalla chimica nucleare.

Le reazioni chimiche, dunque, riguardano esclusivamente le variazioni dei legami tra gli atomi (legame covalente, legame ionico, legame metallico).

Le reazioni endotermiche ed esotermiche

Una reazione può sviluppare calore, in tal caso è detta esotermica, o assorbire calore, ed essere quindi endotermica.

Una reazione esotermica è quindi una reazione che comporta un trasferimento di calore dal sistema[4. Il sistema è la parte dell’universo oggetto di studio (nel nostro caso sistema chimico, ad es. solvente, reagenti e prodotti presenti in un becher (che rappresenta il contorno del sistema)), mentre l’ambiente è tutto cio che circonda il sistema stesso. Sistema + ambiente costituiscono un sistema isolato: l’universo è un sistema isolato.] all’ambiente.

Similmente una reazione endotermica è una reazione che comporta un trasferimento di calore dall’ambiente al sistema. Necessita dunque di energia esterna per procedere.

Fattori causali, condizioni ed effetti

Una reazione non può avere luogo, o viene rallentata fino a fermarsi o addirittura a regredire se non è soddisfatta una serie di condizioni come presenza dei reagenti in misura adeguata e condizioni di temperatura, pressione e luce adatte alla specifica reazione.

Fattori quantitativi

Dal postulato fondamentale di Lavoisier, nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma, deriva necessariamente che la somma delle masse dei reagenti è forzatamente uguale alla somma delle masse dei prodotti di reazione.

Anche il numero degli atomi a destra e a sinistra dell’equazione deve restare invariato.

Ad esempio nell’equazione:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

che rappresenta la reazione tra idrossido di sodio ed acido cloridrico per produrre cloruro di sodio, che conosciamo bene come sale da cucina, troviamo esattamente lo stesso numero di atomi dello stesso tipo sia nella parte sinistra (reagenti) che nella parte destra (prodotti) della reazione, ma combinati in maniera diversa.

In questo caso, essendo questa una reazione tra un acido. Un acido è una sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni H⁺. (HCl) e una base. Una base è una sostanza che dissociandosi in acqua produce ioni OH^– (NaOH) la reazione procederà verso la neutralizzazione completa a meno che uno dei reagenti non sia in eccesso rispetto all’altro: in questo caso, la soluzione rimarrà acida o basica a seconda del reagente in eccesso.

Alcune reazioni per avvenire hanno bisogno, o vengono facilitate, della presenza di una terza sostanza (rispetto a reagenti e prodotti) detta catalizzatore. Il catalizzatore permette o facilita la reazione, ma viene ritrovato invariato (o quasi) tra i prodotti di reazione. In biologia i catalizzatori sono denominati enzimi.

Le trasformazioni che hanno luogo durante una reazione chimica spontanea portano ad una diminuzione dell’energia totale del sistema. In effetti, in una molecola o in un cristallo, l’organizzazione reciproca degli atomi implica un’energia, l’energia di legame; perché un legame venga rotto è necessario fornire al sistema una quantità di energia almeno pari all’energia di legame. Quando gli atomi si ricombinano, formando nuovi legami, tale energia viene liberata. Al termine di una reazione, l’energia immagazzinata nei legami dei prodotti di reazione è minore di quella inizialmente presente nei legami dei reagenti iniziali.

Attivazione e velocità di reazione

Durante la reazione, tuttavia, esiste un momento in cui i vecchi legami si sono rotti e quelli nuovi non si sono ancora formati, è lo stato di transizione dove l’energia del sistema è massima, cosa che costituisce una vera barriera per la realizzazione della reazione

Lo studio dell’aspetto energetico delle reazioni chimiche è la termodinamica, che ci permette di verificare se una reazione può o meno avere luogo e quanta energia è necessario fornire per superare la barriera dell’energia di attivazione; ma esiste un altro parametro importante: la velocità di reazione.

Alcune reazioni sono molto rapide, addirittura violente, come le esplosioni, altre sono talmente lente che possono continuare per anni, o secoli. Alcune sono talmente lente che i reagenti coinvolti sembrano in realtà composti stabili, come nel caso dell’ossidazione dell’alluminio, si parla in tal caso di composti “‘metastabili”‘ (la forma stabile, in ambiente con presenza di ossigeno, è l’ossido di alluminio, mentre quella metastabile è l’alluminio metallico); ad occuparsi di studiare la velocità di reazione è la cinetica chimica.

La cinetica di una reazione dipende da numerosi fattori, il più importante è la temperatura: l’energia termica permette sia di superare la barriera dell’energia di attivazione più facilmente, sia di avere un numero maggiore di collisioni tra le molecole reagenti.

Reazioni e stati della materia

Un altro parametro importante è lo stato (o fase) in cui si trovano i reagenti. Da questo punto di vista le reazioni maggiormente favorite sono quelle in fase gassosa o liquida, dove i reagenti sono mescolati tra loro e possono facilmente venire a contatto.

In tutti gli altri casi, cioè per reazioni tra:

• un solido e un gas;
• un solido e un liquido;
• un solido e un solido;
• un liquido e un gas;
• due liquidi immiscibili;

dette reazioni eterogenee, la reazione può aver luogo esclusivamente nei punti di contatto tra le due fasi, quindi sarà più veloce se i reagenti vengono dispersi l’uno nell’altro come nel caso di:

• aerosol (fini gocce di liquido disperse in un gas);
• emulsioni (dispersioni di gocce di un liquido in un altro immiscibile);
• miscugli di polveri;
• sol (dispersioni di polveri in un liquido);
• schiume (bolle di gas disperse in un liquido).

In questo modo vengono massimizzate le superfici di contatto tra i reagenti e quindi la possibilità di reazione.

Per i solidi questo può esser quantificato misurando la superficie specifica, ossia la superficie esposta per unità di massa; una polvere o un solido poroso hanno elevati valori di superficie specifica.

Altre Nozioni di Scienze

Di seguito tutte le voci del nostro Glossario per concorsi pubblici di Scienze.