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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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:
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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
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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
LIVELLO MACROSCOPICO LIVELLO MICROSCOPICO
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
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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
Le relazioni macroscopico/microscopico possono essere schematizzate in questo modo
LIVELLO MACROSCOPICO LIVELLO MICROSCOPICO
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:
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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:
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 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
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 puro vi sono spazi vuoti molto grandi rispetto alle
dimensioni delle particelle
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.
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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
Le relazioni macroscopico/microscopico possono essere schematizzate in questo modo
LIVELLO MACROSCOPICO LIVELLO MICROSCOPICO
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
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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
6. Un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa quantità
di un corpo solido puro
7. Tra le particelle di un corpo solido puro vi sono piccoli spazi vuoti, molto piccoli rispetto alle
dimensioni delle particelle
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
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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
Le relazioni macroscopico/microscopico possono essere schematizzate in questo modo
LIVELLO MACROSCOPICO LIVELLO MICROSCOPICO
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
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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:
1. Una particella non si può dividere, è indivisibile
2. Una particella non può cambiare forma, è indeformabile
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
6. Un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa
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
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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:
1. Una particella non si può dividere, è indivisibile
2. Una particella non può cambiare forma, è indeformabile
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
6. Un determinato numero di particelle dello stesso tipo equivale sempre alla stessa
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.
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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
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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.
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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
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