Gli stati della materia: quanti sono e quali sono le loro caratteristiche

Come tutti sanno, la classificazione più semplice della materia prevede di suddividerla in tre stati base: solido, liquido e aeriforme. In realtà è stato osservato come la materia abbia comportamenti molto differenti ad altissime e bassissime temperature. Ecco che si aggiungono il quarto stato della materia, il plasma, un gas in cui gli elettroni si muovono liberi, e un quinto stato, il condensato di Bose-Einstein, un gas freddo che si comporta come un'unica onda. Ma ci sono ancora molti altri comportamenti bizzarri della materia che la rendono sempre più affascinante! Andiamo a vedere quali sono i principali e le loro caratteristiche.

Gli stati della materia

La materia è costituita principalmente da tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. A questi ne vengono poi aggiunti due: il plasma e il condensato di Bose-Einstein. Ma quali sono le loro principali proprietà?

Lo stato solido

A determinate condizioni di pressione e temperatura, le molecole della materia si vincolano in un reticolo chimico ben definito, definendo lo stato solido. Le molecole si possono distribuire in maniera ordinata, in tal caso si parla di reticolo cristallino, oppure in maniera disordinata, il così detto reticolo amorfo. Il diamante, ad esempio, ha una struttura cristallina, mentre il vetro ha una struttura amorfa. La disposizione e la distanza fra le varie molecole definiscono le proprietà a piccola e a grande scala: è il caso ad esempio della forma dei fiocchi di neve, direttamente legata alla struttura cristallina esagonale del ghiaccio.

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Plasma: cos’è il quarto stato della materia e quali sono le sue proprietà

Credit: Wilson Bentley, 1902

Lo stato liquido

Lo stato liquido si raggiunge a partire dallo stato solido quando temperatura e/o pressione aumentano, risultando in uno stato fluido e incomprimibile. Tipicamente la materia aumenta di volume con l’aumentare della temperatura stessa, ad eccezione di alcuni rari casi, fra i quali l'acqua.
I fluidi che siamo abituati a maneggiare, come acqua e olio, si chiamano fluidi newtoniani, perché si deformano proporzionalmente ad uno sforzo esterno. Ma se ciò non accade, si parla di fluidi non-newtoniani. Avete mai provato a mescolare fecola di patate ed acqua? L’impasto assomiglia ad un fluido quando si manipola lentamente, mentre ricorda un solido per movimenti bruschi.

E le sabbie mobili? Il loro comportamento è diametralmente opposto: si comportano come solido solo se non vi si applicano forze. Le proprietà della materia fluida, dunque, possono variare notevolmente!

Lo stato aeriforme

Parliamo ora dell’ultimo stato base, lo stato aeriforme. Per gas intendiamo un sostanza definita da una densità e composizione omogenea presente in una singola fase (esclusivamente gassosa, appunto). Un gas può essere contenuto da un solido, come il caso del gas naturale sotterraneo, o attratto per gravitazione, come nel caso dell’atmosfera attorno alla Terra.
Il vapore, invece, è un gas a temperatura inferiore che può essere condensato e trovarsi in equilibrio con la propria fase liquida. Il vapor d'acqua, ad esempio, si può trovare anche a temperatura ambiente, vicino a sorgenti come laghi o fiumi.

Il processo di vaporizzazione è dunque superficiale e permette ad un liquido di trasformarsi in vapore, mentre l'ebollizione è un meccanismo che avviene sotto la superficie e permette al liquido di trasformarsi in gas. Quando andiamo in montagna l’aria si fa più rada, respiriamo più profondamente perché ci troviamo a una pressione inferiore. Il respiro si fa più profondo anche quando entriamo in sauna, dove umidità e temperatura sono più marcate. Questi due esempi evidenziano l’influenza di pressione, temperatura e presenza di vapor acqueo sullo stato gassoso.

Il plasma

Già alla fine del diciannovesimo secolo qualcuno si era posto questa domanda: cosa succederebbe se continuassimo ad aumentare la temperatura di un gas? Le molecole comincerebbero a ionizzarsi, dividendosi in ioni positivi ed elettroni, in equilibrio fra loro, creando un plasma globalmente neutro. La temperatura di questo stato può raggiungere addirittura milioni di gradi con la generazione di scariche elettriche. Ecco il principio di stelle, fulmini e aurore boreali!

Ma cosa succederebbe se raffreddassimo un gas a temperature prossime allo zero assoluto (-273.15 °C)?

Il condensato Bose-Einstein

Il condensato di Bose-Einstein fu teorizzato da all’inizio del XX secolo dal fisico indiano S. Bose e da A. Einsten, ma fu osservato solo nel 1995, da E. Cornell e C. Wieman, all’Università del Colorado a Boulder. 

Per ottenere questo stato è necessario partire da un gas di bosoni – cioè una famiglia di particelle al cui interno rientrano, tra gli altri, i fotoni. Questo gas assume un comportamento molto particolare quando si porta a bassa densità e a temperature prossime allo zero assoluto. Si comporta come fosse un unico oggetto, seguendo regole quantistiche anche a livello macroscopico, come fosse composto da onde.

Anche questi cinque stati non sono sufficienti per spiegare il comportamento di tutta la materia: ne esistono infatti anche altri che si verificano solo in condizioni estremamente particolari, come ad esempio i superfluidi, i supersolidi, la materia strana e la materia degenere.