La materia

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Il primo livello di studio della materia che ci circonda comporta l'inquadramento e la descrizione delle sue proprietà misurabili, o grandezze, quali la massa, il volume, la densità, l' energia, e la temperatura.

Queste nozioni fanno da presupposto per la comprensione della struttura microscopica della materia, che si presenta discontinua, in quanto costituita da minuscole particelle, gli atomi.

I corpi materiali possono essere distinti e classificati in rapporto ai diversi stati fisici, o stati di aggregazione, in cui si manifestano e in rapporto alla composizione omogenea o eterogenea in cui si presentano. Osservando, inoltre, le trasformazioni tra gli stati di aggregazione (passaggi di stato) e il ruolo che in esse svolge I'energia, si delinea la stretta relazione che esiste tra i cambiamenti della materia e le variazioni di energia a essi associate.  

Per materia si intende tutto ciò che occupa uno spazio.

La massa di un corpo (intendendosi per corpo: una qualunque porzione limitata di materia) ne rappresenta la quantità di materia o, in termini più rigorosi, ne esprime l’inerzia, cioè la resistenza che oppone a variazioni del suo stato di quiete o di moto. La massa di un corpo è la stessa in ogni punto dell’universo, mentre varia il suo peso (che è la forza con cui una massa viene attratta in un campo gravitazionale, quale quello prodotto dalla massa terrestre).

Volume, massa e peso sono alcune delle qualità o proprietà della materia sulla cui osservazione si basa il suo studio scientifico. Altre proprietà della materia sono per esempio: la densità (data dal rapporto massa/volume), la durezza, il colore, l’odore, la temperatura, la conducibilità elettrica, lo stato fisico (solido, liquido o aeriforme).

Sono dette proprietà estensive quelle che dipendono dall’estensione (cioè dalla quantità) del campione di materia considerato, come per esempio il volume, la massa, il peso, l’energia.

Sono dette proprietà intensive quelle che non dipendono dall’estensione del campione, come, per esempio, la densità, il colore, la temperatura, la conducibilità elettrica.

Le proprietà intensive sono quelle più significative per identificare i vari tipi di materia, le sostanze, di cui sono formati i corpi (una sostanza è un particolare tipo di materia che possiede proprietà specifiche che la distinguono da tutti gli altri tipi di materia). La grande varietà dei corpi è dovuta alla grande varietà di sostanze componenti, ciascuna delle quali è formata da un differente tipo o da differenti combinazioni di tipi di particelle discrete (gli atomi).

Gli elementi chimici sono rappresentati per mezzo di simboli  formati da una lettera maiuscola o da una lettera maiuscola seguita da una lettera minuscola, come per esempio:

I simboli degli elementi rappresentano anche i rispettivi atomi: O rappresenta un atomo di ossigeno, F rappresenta un atomo di fluoro.

Le molecole sono rappresentate da formule chimiche. La formula di un elemento è data dal suo simbolo corredato da un numero (indice) in basso a destra che indica quanti atomi ne costituiscono la molecola: per esempio O₂ indica che la molecola dell'ossigeno è formata da 2 atomi (se l'indice è 1 viene omesso). La formula di un composto è costituita dai simboli degli elementi presenti nella sua molecola, ciascuno corredato del proprio indice che ne rappresenta il numero di atomi. Per esempio: H₂O, la formula dell'acqua, indica che la sua molecola è formata da 2 atomi di idrogeno e da 1 atomo di ossigeno; la formula dell'acido solforico, H₂SO₄, indica che la sua molecola è costituita da 2 atomi d'idrogeno, 1 atomo di zolfo, e 4 atomi di ossigeno.

Se il numero di atomi di un elemento allo stato atomico o di molecole è maggiore di 1, il simbolo e la formula rispettivi sono fatti precedere da un coefficiente numerico corrispondente: 2H (due atomi di idrogeno); 3O₂ (tre molecole di ossigeno); 2H₂O (due molecole di acqua).

Con la scoperta della prima particella subatomica, l'elettrone (Thomson, 1897), fu definitivamente stabilito che l'atomo non è indivisibile, ma possiede una struttura.

Ulteriori ricerche evidenziarono la presenza di un altro tipo di particella subatomica, il protone.

Nel modello planetario di Rutherford (1911) l'atomo è considerato formato da un nucleo in cui si concentrano i protoni, circondato da elettroni che si muovono su orbite circolari (in seguito, nel 1932, si scoprì nel nucleo una terza particella subatomica il neutrone).

Da qui la questione si fa più complicata:

alla luce della teoria dei quanti, fu elaborato un modello più approfondito, il modello quantico di Bohr (1913), secondo il quale gli elettroni possono muoversi su orbite quantizzate (caratterizzate da determinati livelli di energia).

Gli sviluppi della meccanica quantistica, consentirono di superare i limiti del modello atomico di Bohr e di giungere al modello quanto-meccanico dell'atomo, valido ancora oggi. In questo modello, gli elettroni, si muovono in regioni dello spazio, dette orbitali, caratterizzate da numeri quantici.

Tanto per capire di che “misure” stiamo parlando, poiché gli atomi sono, come è intuitivo, troppo piccoli per poterli ``pesare'' direttamente, si assume, come unità di riferimento, la dodicesima parte dell'isotopo più diffuso del carbonio, il carbonio-12 o 12C. Tale unità (1/12 della massa di 12C) prende il nome di unità di massa atomica (abbreviata in uma). Il suo valore è stato calcolato ed è pari a 1,66059 · 10^-24 g).