L'anno scorso abbiamo fatto una serie di esperimenti.
1- Abbiamo preso: acqua; un sasso o un blocchetto di legno; un bicchiere, una bottiglietta, una brocca, una tazza. Ci siamo chiesti:
- Per prendere una quantità d’acqua hai bisogno di un contenitore?
- L’acqua assume la forma del contenitore?
- La puoi versare (sul tavolo, per terra, in un altro contenitore)?
- Se la versi sul tavolo, si spande?
- Puoi immergere la mano nell’acqua (l’acqua, in altre parole, si lascia penetrare)?
Ripeti le stesse operazioni con il sasso (o il legno). Come avresti risposto alle domande di prima in questo caso?
Come avresti risposto se avessi considerato olio, aceto, o un blocchetto di metallo?
Sarai d’accordo sul fatto che
sasso, legno e metallo non si lasciano penetrare.
Diresti che sono duri, che sono
solidi.
Su acqua, olio, aceto diresti invece che si lasciano penetrare, che hanno bisogno di un contenitore e ne assumono la forma, che li puoi versare facendoli spandere e scorrere: sono
liquidi.
2- Abbiamo riempito un bicchiere a metà.
Com’è la superficie libera del liquido?
Nel bicchiere a sezione circolare di appare piana e, se fai bene attenzione, parallela al piano del tavolo. Versa l’acqua nel secondo contenitore e ripeti l’osservazione. E’ cambiato qualcosa? La forma sarà quella della sezione del contenitore e sarà sempre orizzontale.
Immagina adesso di inclinare il bicchiere.
- Cosa pensi che accada?
- Come si disporrà l’acqua? Sarà parallela al fondo del bicchiere o al piano del tavolo?
- E che forma assumerà la superficie libera? Sarà come prima o cambierà?
Versa riso, lenticchie zucchero, sale, sabbia, o farina di granoturco. Non si spandono ma tendono a formare una montagnetta, vero? Rimettila nel bicchiere, scuotilo delicatamente per livellare la farina ed osserva la superficie libera. Immagina cosa accadrà quando inclinerai il bicchiere. La farina si dispone con la superficie libera parallela al tavolo o inclinata rispetto al tavolo? E che forma assume la superficie libera? Sarà come prima o cambia?
Riassumendo in una tabella:
SOSTANZA
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SI VERSA
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SI SPANDE
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FORMA SUPERFICIE LIBERA NEL
BICCHIERE
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POSIZIONE SUPERFICIE LIBERA
RISPETTO AL PIANO DEL TAVOLO
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FORMA SUPERFICIE LIBERA DOPO
AVER INCLINATO IL BICCHIERE
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POSIZIONE SUPERFICIE
LIBERA DOPO AVER INCLINATO IL
BICCHIERE
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ACQUA
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sì
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sì
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Circolare *
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Parallela
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Ovale
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Parallela
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SASSO
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no
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no
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Il sasso mantiene la sua
forma
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-
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-
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-
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FARINA
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sì
|
no
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Circolare **
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Parallela
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Circolare
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Inclinata (fino ad un certo
angolo)
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3- Abbiamo aspirato con una siringa (senz'ago!) dell'aria fino a 4 cc, poi appoggiato lo stantuffo sulla mano e spinto finché si riusciva. Abbiamo ripetuto con una siringa piena d'acqua fino a 4 cc, e riprovato a spingere. Se prima lo stantuffo si abbassava adesso è bloccato. Ciò vuol dire che l'aria, che è un miscuglio di gas, si può comprimere mentre l'acqua no quindi...
i liquidi sono incomprimibili. Anche quando gonfi la camera d’aria della tua bicicletta, comprimi il gas in uno spazio ristretto.
I solidi non si lasciano penetrare. Sono duri, hanno forma propria.
I liquidi si lasciano penetrare, hanno bisogno di un contenitore e ne assumono la forma; si possono versare, si spandono e scorrono. I liquidi sono incomprimibili.
Le sostanze come la farina non hanno tutte le caratteristiche dei liquidi ma nemmeno le proprietà dei solidi, anche se il singolo granello è solido.
4-Abbiamo preso (esperimenti fatto a casa) una bottiglia di plastica piena d’acqua. E' stata tappata e messa nel congelatore. Dopo qualche ora si toglie dal frigo. L'acqua si è ghiacciata e la bottiglia è rotta.
5- Abbiamo messo in un bicchier d’acqua un cubetto di ghiaccio (galleggia? Sì! Di solito i ragazzi dicono che il ghiaccio galleggia sull’acqua “perché è più leggero”).
6-Quando si cuoce la pasta, si osserva nell'acqua la formazione di grosse bolle che salgono in superficie. Si vede il vapore formarsi sopra la superficie libera dell’acqua.
Cosa avevamo concluso?
L’acqua nel congelatore da liquida diventa solida e deforma o rompe la bottiglia (fatto da cui concludi che
deve essere aumentata di volume), l’acqua nel pentolino diventa vapore, il ghiaccio – che è acqua allo stato solido – galleggia sull’acqua.
L’acqua, dunque, può presentarsi in tre forme o
stati di aggregazione diversi. Gli stati della materia si classificano, come hai visto, sulla base delle loro
differenze qualitative. Un solido ha un volume e una forma propria; un liquido ha un volume proprio, ma assume la forma del recipiente che lo contiene; un aeriforme non ha né volume né forma propria, ma si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile.
Abbiamo descritto i fenomeni sulla base di quello che vediamo, e cioè in termini
macroscopici.
Ora cercheremo di interpretarli in termini
microscopici con un’ipotesi particellare sulla costituzione della materia.
Ipotizziamo che i corpi siano costituiti di unità che chiameremo
particelle. Queste particelle non possono dividersi e cambiare forma, hanno sempre le stesse dimensioni e sempre la stessa quantità di materia.
Nello stato solido le particelle sono legate da forze molto intense che consentono soltanto moti di vibrazione. Solo applicando forze abbastanza intense si possono rompere questi legami.
Nello stato liquido le forze agenti tra le particelle sono meno intense, mentre nello stato aeriforme sono estremamente deboli le e particelle possono muoversi indipendentemente ed espandersi occupando tutto il volume disponibile.
IL PUNTO DI VISTA MACROSCOPICO
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IL MODELLO PARTICELLARE
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I solidi hanno forma, massa e volume definiti e
incomprimibili.
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Le particelle sono disposte in modo ordinato le une
vicine alle altre; le forze di coesione che le tengono insieme sono grandi. I
loro movimenti sono quindi molto limitati, sotto forma di piccole
oscillazioni nella struttura ordinata del solido.
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I liquidi hanno massa e volume definiti, assumono la
forma del recipiente e sono incomprimibili.
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Le particelle, un po’ più lontane tra loro e meno
ordinate; le forze che le trattengono sono più deboli. Si muovono con maggiore
libertà rispetto al solido, ma ancora in misura limitata.
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Gli aeriformi hanno massa definita, non hanno un
volume definito, ma occupano tutto lo spazio disponibile, assumono la forma
del recipiente e sono comprimibili.
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Le particelle sono molto più lontane (e quindi possono
essere avvicinate: di qui la comprimibilità), la coesione è minima. Si
muovono liberamente nello spazio disponibile e tendono ad occuparlo tutto.
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Come possiamo immaginare queste particelle? I seguenti disegni (dove usiamo delle palline per rappresentare le particelle) descrivono la situazione riassunta nella precedente tabella, prendendo il caso dei tre stati dell’acqua (per il momento guarda solo la parte superiore della figura):
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| Da un contributo web di Pierluigi Riani |
Vediamo la struttura microscopica della materia nei tre stati fisici che abbiamo studiato (solido, liquido, aeriforme):
a) I solidi sono difficilmente deformabili; immagino che le particelle che li compongono siano legate fra loro con legami difficili da rompere.
b) La struttura cristallina di certe sostanze può essere spiegata con particelle siano legate tra loro in strutture regolari;
c) L'incomprimibilità dei liquidi si può spiegare con particelle più o meno alla stessa distanza di quelle che compongono i solidi, ma con legami diversi (particelle sono più "mobili");
d)-La comprimibilità degli aeriformi (esperimento della siringa!) evidenzia il fatto che le particelle devono essere più distanziate l'una dall'altra.
Le particelle sono uguali tra loro. Sono unite da legami più o meno forti. Possono trovarsi tra loro a distanze diverse. Possono avere mobilità diversa.
Cerchiamo adesso di interpretare i risultati degli esperimenti sulla base di questa ipotesi delle particelle.
La
comprimibilità dell’aria (esperimento della siringa) evidenzia che le
particelle sono distanziate l'una dall'altra; quando premo lo stantuffo, le palline possono avvicinarsi tra loro.
L'
incomprimibilità dell’acqua ci fa immaginare che le particelle devono essere più o meno alla stessa distanza di quelle che compongono i solidi, anche se con legami meno forti dal momento che hanno una certa mobilità.
Quando l’acqua diventa ghiaccio
aumenta di volume: le palline che rappresentano l’acqua si dispongono in modo ordinato e (solo nel caso dell’acqua, che fa eccezione) con la formazione di spazi maggiori tra una e l’altra. Il numero di palline è lo stesso, ma occuperà più spazio. Diciamo che la densità (il numero di palline per unità di volume) diminuisce e questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia. Non credere però che le palline siano più leggere quando l’acqua passa allo stato solido! Secondo l’ipotesi che abbiamo fatto, queste particelle non possono dividersi e cambiare forma, hanno sempre le stesse dimensioni e sempre la stessa quantità di materia.
Quando
l’acqua diventa vapore le forze che tengono insieme le palline diminuiscono finché possono disperdersi nell’atmosfera (ultime due immagini della figura precedente).
