Laboratorio proposto ai ragazzi della Scuola Secondaria di Primo Grado: una scoperta dei differenti stati della materia e delle cause delle intrinseche variazioni.
Ragazzi, oggi vedremo insieme di analizzare e di lavorare con i 5 differenti stati della materia: solido, liquido, gas, plasma e condensato di Bose-Einstein.

La materia è tutt’intorno a noi e si trova anche in tutto l’universo. È composta di
atomi e
molecole ed è rappresentata da ciò che ha una massa. La caratteristica che rende uno stato della materia differente uno dall’altro è lo stato fisico degli atomi e delle molecole.

Passare da un stato fisico ad un altro significa non variare la composizione chimica (cioè di che cosa la materia è fatta) e il numero delle molecole dei componenti. Ad esempio, l’ossigeno allo stato gassoso (O2) ha ancora le stesse proprietà dell’ossigeno allo stato liquido; l’acqua (H2O), composta da due atomi di idrogeno (H) e uno atomi di ossigeno (O), ha la stessa struttura molecolare (cioè il suo stato chimico rimane lo stesso) sia se si trova allo stato gassoso, sia allo stato liquido o solido: cambia solo il suo stato fisico.
Impariamo insieme le caratteristiche fondamentali degli stati fisici della materia al fine di capire le principali differenze:
guardiamo ora questo video che ci spiega la materia nei suoi tre stati (solido, liquido, gassoso) attraverso un importante ciclo del nostro pianeta Terra: il ciclo dell’acqua.
Dividiamoci a gruppi di quattro ragazzi e cerchiamo di schematizzare il ciclo dell’acqua sui fogli di carta da disegno che abbiamo preparato, evidenziando i vari stati della materia nel caso dell'acqua.
Ripassiamo ora le caratteristiche intrinseche dei tre stati guardando il video:
Sui vostri quaderni individualmente riportate il seguente schema con le caratteristiche riassuntive dei tre stati della materia:
• i SOLIDI: hanno forma, massa e volume definiti e non sono comprimibili;
• i LIQUIDI: hanno massa e volume definiti, assumono la forma del recipiente (hanno fluidità) e sono poco comprimibili;
• i GAS: hanno massa definita, ma non un volume definito, cioè occupano tutto lo spazio a disposizione (se conservati in recipienti chiusi, assumono la forma del recipiente stesso) e sono comprimibili.
SPERIMENTIAMO INSIEME i tre stati studiati:
I tre stati (solido, liquido, gas) rappresentano ognuno uno stato fisico della materia. Elementi e composti possono passare da uno stato a un’altro quando sono sottoposti a variazioni di
forze fisiche quali la temperatura, la densità, la pressione: ad esempio, quando la temperatura aumenta, la materia passa ad uno stato più attivo.
Vediamo che cosa significa in pratica:
procuriamoci un fornelletto opportunamente schermato e una pentola piena d’acqua con coperchio. Riempiamo il pentolino d’acqua, copriamolo e poniamolo su una fonte di calore (meglio una piastra elettrica). Non appena l’acqua inizia a bollire (la temperatura di ebollizione dell’acqua è 100°C), scoperchiamo il pentolino e verifichiamo quale fenomeno produce il calore sull’acqua: si tratta di evaporazione, cioè di passaggio da uno stato liquido a uno gassoso. E' aumentata l'energia interna e le molecole sono "fuggite", diventando vapore. E sul coperchio? L'acqua si è condensata. La condensazione avviene quando le molecole di gas si aggregano e formano un liquido. Accade ciò a causa di una perdita di energia: nel gas gli atomi sono molto eccitati e, quando perdono energia, rallentano e iniziano a unirsi (condensazione), formando gocce.
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| Il Ciclo dell'Acqua |
Mettiamo il coperchio poi nel congelatore: ecco che la stessa acqua si è trasformata in
solido. L’acqua ha mantenuto le stesse proprietà chimiche, ma ha cambiato forma fisica.
Chi cosa vuol dire che gli atomi del gas sono eccitati?
Per spiegare il concetto ricorriamo alla
cinetica, cioè al movimento, delle particelle.
In generale, l’energia cinetica delle particelle aumenta al crescere della
temperatura.
In un SOLIDO: le particelle sono disposte in modo ordinato le une vicine alle altre e non hanno energia sufficiente per vincere le forze di attrazione che impediscono alle particelle di spostarsi reciprocamente e consentono a esse solo piccole oscillazioni: in altre parole, l'energia cinetica delle particelle nello stato solido è di modesta entità.
- In un LIQUIDO: le particelle sono più distanziate e meno ordinate, hanno energia superiore rispetto al solido; sono, quindi, in grado di vincere le forze che le trattengono e di muoversi con maggiore libertà, ma ancora in misura limitata.
- In un GAS: le particelle sono distanti l’un l’altra ed hanno energia certamente superiore: si muovono, quindi, liberamente nello spazio disponibile.
Quali sono
le forze che tengono unite le particelle (
atomi,
ioni o molecole)?
Sono le forze
attrattive che nello stato solido sono molto intense. Nello stato liquido le particelle possono muoversi scorrendo liberamente le une sulle altre, ma la loro energia cinetica media è inferiore a quella dei gas e in ogni caso insufficiente a vincere le intense forze attrattive reciproche, che impediscono alla maggior parte delle particelle di allontanarsi dalla massa liquida. Le forze attrattive nei gas invece sono molto deboli e permettono alle particelle di muoversi senza difficoltà.
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Ci sono
altri due stati della materia che sono utile tenere in considerazione:
il plasma e il condensato di Bose - Einstein.
1. Il PLASMA (o gas ionizzato)
è il quarto stato della materia. È un insieme di particelle elettriche positive e negative. Il plasma costituisce il 99% della materia dell'
universo, come conseguenza dell'elevata temperatura esistente nei corpi celesti, che porta alla ionizzazione degli atomi. La formazione di questo stato della materia è possibile solo se il materiale è sottoforma gassosa ed è a temperature comprese tra 3000°C e 20.000°C.
Il plasma si trova all'interno del Sole e nelle altre stelle, nei gas interstellari, nei nuclei delle galassie.
Intorno a noi, si genera il plasma quando si fornisce energia a un gas fino a che questo diventa fluorescente: nelle lampade al neon, ad esempio. In natura le aurore (boreali e australi) sono di plasma: sono bande luminose di colore rosso-verde-azzurro e sono rapidamente mutevoli nel tempo e nello spazio.
2. Il CONDENSATO DI BOSE EINSTEIN previsto in teoria per la prima volta nel 1925 da Albert Einstein, basandosi sul lavoro di un altro scienziato di nome Bose: è uno stato osservato per la prima volta in laboratorio solo nel 1995 (70 anni dopo!).

Il condensato di Bose-Einstein (in sigla BEC) è uno stato della materia che si ottiene quando si porta un insieme di particelle atomiche (i bosoni) a temperature estremamente vicine allo zero assoluto (- 273,15 °C), che è il valore della temperatura più bassa alla quale i corpi possono avvicinarsi. In queste condizioni di grande raffreddamento, la materia ha un’energia molto piccola. Si tratta di un’eccitazione di atomi freddi che causa una condensazione a bassissime temperature: le molecole di gas perdono energia, rallentano e iniziano ad aggregarsi, formano un liquido. In questo caso avviene tutto a bassissima temperatura. Dove si trova questo condensato? Sulla Terra solo nei laboratori specializzati, nello spazio quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto!
Prerequisiti consigliati: (link indicati):
- un accenno alla struttura atomica semplificata,
- alla struttura dell'universo e