11.1: Confronto molecolare di gas, liquidi e solidi

Le particelle in un solido sono strettamente assemblate (forma fissa) e spesso disposte secondo uno schema regolare; in un liquido sono ravvicinati senza disposizione regolare (nessuna forma fissa); in un gas sono distanti tra loro senza una disposizione regolare (nessuna forma fissa). Le particelle in un solido vibrano attorno a posizioni fisse (non possono fluire) e generalmente non si muovono l'una rispetto all'altra; in un liquido si muovono l'uno accanto all'altro (possono scorrere) ma rimangono essenzialmente in contatto costante; in un gas si muovono indipendentemente l'uno dall'altro (possono fluire ed espandersi) tranne quando entrano in collisione.

Le differenze nelle proprietà di un solido, liquido o gas riflettono l'intensità delle forze attrattive tra atomi, molecole o ioni che compongono ciascuna fase. La fase in cui esiste una sostanza dipende dall'entità relativa delle sue forze intermolecolari (IMF) - forze di attrazione elettrostatiche esistenti tra gli atomi e le molecole di una sostanza - e dalle energie cinetiche (KE) delle sue molecole. Mentre gli IMF servono a tenere le particelle vicine tra loro, la KE delle particelle fornisce l’energia necessaria per superare l’attrazione e quindi aumentare la distanza tra le particelle. Ad esempio, in un liquido, le forze intermolecolari attrattive tengono le molecole in contatto, sebbene abbiano ancora KE sufficiente per spostarsi l'una accanto all'altra. Per questo motivo i liquidi scorrono e assumono la forma del loro contenitore.

Secondo la teoria cinetico-molecolare (KMT), la temperatura di una sostanza è proporzionale al KE medio delle sue particelle. La modifica dell'energia cinetica media (temperatura) induce cambiamenti nello stato fisico insieme a cambiamenti associati nelle forze intermolecolari. Ad esempio, quando l'acqua gassosa è sufficientemente raffreddata, o l'energia cinetica media delle molecole è ridotta, la maggiore attrazione tra le molecole di H_2O sarà in grado di tenerle insieme quando entrano in contatto tra loro; il gas si condensa formando H_2O liquida. Quando l’H_2O liquida viene ulteriormente raffreddata, le forze attrattive diventano più forti e l’acqua si congela per formare ghiaccio solido.

Nei casi in cui le temperature non sono troppo elevate, i gas possono essere liquefatti per compressione (alta pressione). I gas presentano forze attrattive molto deboli a causa delle quali le particelle si diffondono a grandi distanze. L'aumento della pressione avvicina le molecole di un gas, in modo tale che le attrazioni tra le molecole diventano forti rispetto al loro KE. Di conseguenza, formano liquidi. Il butano, C_4H_10, è il combustibile utilizzato negli accendini usa e getta ed è un gas a temperatura e pressione standard. All'interno del vano carburante dell'accendino, il butano viene compresso ad una pressione che ne provoca la condensazione allo stato liquido. Inoltre, se la temperatura di un liquido diventa sufficientemente bassa o la pressione sul liquido diventa sufficientemente alta, le molecole del liquido non hanno più abbastanza KE per superare la IMF tra loro e si forma un solido.

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids

Tutta la materia è composta da un numero alquanto elevato di molecole, che si muovono con movimento casuale e costante. Persino nel ghiaccio e nei metalli, gli atomi si muovono ancora. Esistono tre diversi stati della materia:solidi, liquidi e gas.

In tutti questi stati, molecole, atomi o ioni sono in movimento con una determinata quantità di energia cinetica, che determina lo stato della materia. Allo stato gassoso, le molecole hanno un'elevata energia cinetica. Le molecole ad alta energia si muovono rapidamente l'una accanto all'altra, e sono ampiamente separate, rendendo più difficile per loro intersecarsi frequentemente.

Ne consegue che le forze attrattive nei gas sono deboli. Con questa trascurabile forza di attrazione, i gas non hanno né volume, né forma definita, e si espandono liberamente per riempire l'intero volume del loro contenitore. Con molto spazio intorno alle molecole, i gas hanno densità basse, che li rendono facili da comprimere.

Quando i gas vengono compressi o raffreddati, la loro energia cinetica si riduce, e pertanto le molecole rallentano. Le molecole si muovono l'una accanto all'altra più spesso, e si avvicinano. Ciò aumenta la quantità di forze intermolecolari e trasforma il gas in uno stato liquido.

Le molecole all'interno dei liquidi sono legate da forze attrattive più forti, lasciando poco spazio intorno ad esse. I liquidi sono pertanto più densi dei gas, rendendoli difficili da comprimere. Un liquido ha anche un volume definito, e assume la forma del contenitore.

Nonostante le forze di attrazione più forti, le molecole nei liquidi possono ancora muoversi liberamente l'una accanto all'altra, e quindi i liquidi possono fluire o venire versati. Quando i liquidi vengono ulteriormente raffreddati, l'energia cinetica si riduce ad un punto in cui le particelle quasi cessano di muoversi a causa delle forti forze intermolecolari, e possono solo vibrare nella loro posizione fissa. A questo punto, le molecole si trasformano in uno stato di conformazione tridimensionale chiamato solido.

In ogni solido, le molecole sono densamente imballate, senza lasciare quasi alcuno spazio vuoto intorno a esse. Pertanto, i solidi sono incomprimibili, avendo un volume e una forma definiti.