Che cos'è la materia

Sulla Luna un'astronauta pesa un sesto di quanto pesa sulla Terra, ma la sua massa non cambia affatto.

Per i chimici, la materia è tutto ciò che occupa spazio e ha massa. Un mattone è materia, come l'acqua in un bicchiere. Anche l'aria è materia, pur essendo invisibile. Soffia in un palloncino: si gonfia perché l'aria che introduci occupa spazio. Luce, suono e calore non sono materia. Trasportano energia, ma non hanno una massa propria e non riempiono un recipiente.

Massa e peso non sono la stessa cosa

La massa misura quanta materia contiene un oggetto. Puoi determinarla con una bilancia, confrontando l'oggetto con masse campione, oppure misurando la forza necessaria ad accelerarlo: un'automobile richiede una spinta molto maggiore di una bicicletta. Il peso è la forza di gravità che agisce su quella massa. È proporzionale alla massa, ma dipende dal luogo. La gravità lunare è circa un sesto di quella terrestre, perciò un'astronauta sulla Luna pesa circa un sesto. La sua massa, cioè la quantità di materia che la costituisce, resta identica. In orbita può sentirsi senza peso, ma non è mai senza massa.

Tre stati nella vita quotidiana

Sulla Terra la materia si trova di solito in uno di tre stati. Un solido è rigido e mantiene la propria forma: un cucchiaio resta un cucchiaio sia nel cassetto sia in una tazza. Un liquido scorre e assume la forma del recipiente, ma la gravità rende piana la sua superficie superiore. In orbita l'acqua e la navicella cadono liberamente insieme: nulla appiattisce l'acqua, che si raccoglie in una sfera. Un gas riempie tutto il recipiente, assumendone sia la forma sia il volume. Comprimendo un solido o un liquido, il volume cambia pochissimo; un gas, invece, si comprime molto.

Esiste un quarto stato, raro sulla Terra ma comune nell'universo. Il plasma è un gas in cui molte particelle possiedono una carica elettrica. Ne sono fatte le stelle; lo trovi anche nei fulmini, nelle torce per il taglio al plasma e in alcuni vecchi schermi televisivi. Alcuni materiali sembrano appartenere a più stati. La sabbia si versa come un liquido, ma ogni granello è solido. Una nube si sposta come un gas, ma è aria mescolata a minuscole gocce d'acqua liquida o cristalli di ghiaccio.

La materia non si perde quando cambia

Quando il ghiaccio fonde o l'acqua bolle, la sostanza non compare né scompare. La quantità totale di materia resta invariata sia nei passaggi di stato sia nelle reazioni chimiche. È la legge di conservazione della materia. Nella vita quotidiana è difficile accorgersene, perché alcuni prodotti di solito sfuggono come gas, ma in un recipiente sigillato la bilancia non indica variazioni. Un bollitore sembra perdere acqua durante l'ebollizione; quell'acqua esiste ancora, dispersa in cucina come vapore.

Il modello usato in questo corso spiega questi fenomeni attraverso le particelle: atomi o molecole sempre in movimento. In un solido sono trattenute in posizioni fisse e possono soltanto vibrare. In un liquido restano a contatto ma scorrono le une sulle altre. In un gas sono lontane e si muovono in linea retta finché non urtano qualcosa. La temperatura indica quanto rapidamente si muovono. La teoria cinetico-molecolare lo precisa: l'energia cinetica media delle particelle è proporzionale alla temperatura misurata in kelvin.