Le particelle nei solidi, nei liquidi e nei gas

A 30 °C le molecole di azoto nell'aria attorno a te si muovono a circa 519 m/s, più velocemente di un aereo di linea.

Versa dell'acqua in un bicchiere: si raccoglie sul fondo con una superficie orizzontale. Fai bollire la stessa acqua e il vapore si diffonde nella stanza. Le molecole d'acqua non sono cambiate: H₂O resta H₂O nel ghiaccio, nell'acqua liquida e nel vapore. Cambiano la distanza tra le molecole, l'intensità con cui si attraggono e la velocità con cui si muovono. Il modello particellare di questa pagina rappresenta le stesse 40 particelle in ogni stato, così puoi confrontarle direttamente.

Confronto fra i tre stati

Nei solidi e nei liquidi le particelle sono già a contatto: aumentare la pressione non può avvicinarle molto di più. Per questo un martinetto idraulico trasmette una spinta attraverso l'olio senza comprimerlo. In un gas, invece, gran parte del volume è spazio vuoto fra le molecole, perciò una pompa da bicicletta può comprimere l'aria dentro uno pneumatico. Le forze intermolecolari spiegano anche perché i liquidi formano gocce e i solidi mantengono la forma: in entrambi le particelle si attraggono abbastanza da restare unite. In un gas sono troppo veloci e troppo distanti perché quelle attrazioni le trattengano.

L'acqua fa eccezione

Per la maggior parte delle sostanze il solido è più denso del liquido, quindi un pezzo di solido affonda nel proprio fuso. L'acqua si comporta diversamente. A 0 °C l'acqua liquida ha una densità di 0.99987 g/cm³ e, quando congela, la densità diminuisce di circa il 9% (USGS). Il ghiaccio galleggia con gran parte del volume sommerso: ecco perché la maggior parte di un iceberg è nascosta. La disposizione aperta delle molecole nel cristallo di ghiaccio occupa più spazio di quella disordinata nel liquido. L'acqua liquida raggiunge la densità massima a 4 °C, pari a 1.00000 g/cm³, e diventa di nuovo meno densa scaldandosi, fino a 0.95865 g/cm³ a 100 °C.

Temperatura e moto delle particelle

La scala Celsius pone lo 0 al punto di congelamento dell'acqua: è comodo, ma non dipende dal moto delle particelle. La scala kelvin parte dallo zero assoluto, la temperatura minima possibile, pari a −273.15 °C. Per convertire basta aggiungere 273.15: 25 °C corrispondono a 298.15 K. In questa scala l'energia cinetica media delle particelle è direttamente proporzionale alla temperatura: un gas a 600 K ha quindi un'energia cinetica media doppia rispetto allo stesso gas a 300 K.

Per un gas la velocità si ricava da quell'energia. La velocità quadratica media è u = √(3RT/M), dove R vale 8.314 J/(mol K), T è espressa in kelvin e M è la massa molare in chilogrammi per mole. Per l'azoto a 30 °C, OpenStax calcola √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s. Alla stessa temperatura le molecole più pesanti si muovono più lentamente: una molecola di ossigeno a −23 °C si muove in media a circa 441 m/s. Le particelle nella figura qui sopra sono rallentate di milioni di volte per permetterti di seguirle.