Le proprietà descrivono il comportamento e le caratteristiche della materia. In ambito chimico si distinguono proprietà fisiche e proprietà chimiche, utili per identificare, confrontare e classificare sostanze e materiali. In parallelo, la materia può essere organizzata secondo la sua composizione in sostanze pure ed in miscele, il che consente di prevederne molte caratteristiche e modalità di separazione sulla base di principi fisici e chimici.

Un’indagine sperimentale genera dati, cioè misure o osservazioni elementari (ad esempio: massa, lunghezza, volume, tempo, temperatura, energia). Un singolo dato è l’esito di una misura isolata; il risultato, invece, deriva spesso dall’elaborazione coerente di più dati, talvolta corretti per fattori di influenza e inquadrati da incertezze e condizioni operative.

Distinguere tra dato e risultato è cruciale: la perdita di massa di un campione per riscaldamento, per esempio, è un risultato che si ottiene combinando misure di massa a tempi diversi, conoscendo temperatura, pressione, umidità relativa e caratteristiche del contenitore. Senza registrare tali variabili, l’interpretazione resta ambigua e la riproducibilità diminuisce.

Si consideri un’analisi della disidratazione di un sale idrato lasciato all’aria: pesare il campione a intervalli regolari, annotare la temperatura ambiente, l’umidità e il tempo di esposizione consente di calcolare una velocità di perdita di massa (per esempio, espressa in g·min⁻¹) a partire da coppie di dati massa–tempo. In questo caso, i dati sono le singole pesate e i tempi corrispondenti; il risultato è la funzione che descrive la variazione di massa nel tempo, comprensiva di incertezze e condizioni sperimentali.

La materia si presenta prevalentemente in tre stati: gassoso, liquido e solido. Le differenze fra questi stati emergono sia a livello macroscopico (forma e volume) sia su scala microscopica (distanze tra particelle e intensità delle interazioni). In generale, le forze attrattive tra particelle sono massime nei solidi, intermedie nei liquidi e minime nei gas:

• Gas: non possiedono forma né volume propri, sono altamente comprimibili e si espandono fino a occupare interamente il contenitore; le particelle sono molto distanti e in moto disordinato;
• Liquidi: hanno volume definito ma non forma propria, assumendo quella del recipiente; sono poco comprimibili e le particelle sono vicine, con libertà di scorrere le une sulle altre;
• Solidi: dispongono di forma e volume propri; sono sostanzialmente incomprimibili e le particelle sono strettamente impaccate, con disposizione spesso regolare (solidi cristallini) o, talora, priva di ordine a lungo raggio (solidi amorfi).

L’acqua offre un esempio paradigmatico di sostanza che, in un ristretto intervallo di temperatura, può trovarsi nei tre stati di aggregazione (Figura 01.02-01). Il passaggio da ghiaccio ad acqua liquida o da acqua a vapore costituisce una trasformazione fisica: cambia l’aspetto e lo stato, ma non la composizione chimica, che resta H₂O. Il congelamento successivo riporta il sistema allo stato solido originario, mostrando la reversibilità del processo.

Le proprietà fisiche sono misurabili senza modificare l’identità della sostanza: punti di fusione ed ebollizione, densità, indice di rifrazione, conducibilità termica ed elettrica, capacità termica, solubilità. La misura del punto di fusione del ghiaccio o del punto di ebollizione dell’acqua è una caratterizzazione fisica, utile per identificare e confrontare campioni. Differenze in proprietà fisiche costituiscono la base per separazioni come distillazione, filtrazione, cristallizzazione o cromatografia (Figura 01.02-02), nelle quali non intervengono reazioni chimiche ma solo cambiamenti di stato o di distribuzione tra fasi.

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Stati dell’acqua

Stati dell’acquaI tre stati di aggregazione dell’acqua in natura: solido, presente nei ghiacci e nelle nevi; liquido, che costituisce mari, fiumi e oceani; gassoso, sotto forma di vapore acqueo e umidità nell’aria.

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Separazione magnetica

Un esempio di separazione di materiali che sfrutta le differenze nelle loro proprietà fisiche. Il ferro, sostanza magnetica, può essere separato facilmente da sostanze non magnetiche. L'utilizzo su larga scala di questo processo è importante nell'industria del riciclo dei materiali.

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Le proprietà chimiche descrivono la tendenza di una sostanza a trasformarsi in un’altra mediante reazioni che cambiano la disposizione degli atomi e la natura dei legami. Esempi tipici sono la combustione, l’ossidazione, l’idrolisi, l’acidità o basicità, la capacità di complessazione.

La fotosintesi è un processo chimico in cui anidride carbonica e acqua reagiscono, in presenza di luce, per generare glucosio e ossigeno, secondo la stechiometria:

\[ 6\,CO_2 + 6\,H_2O \xrightarrow{\text{luce}} C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2 \]

Ciclo fotosintesi–respirazione cellulare

Qui reagenti e prodotti presentano proprietà macroscopiche differenti: CO₂ e O₂ sono gas a temperatura ambiente, l’acqua è liquida, il glucosio è un solido cristallino. La possibilità della CO₂ di partecipare a questa trasformazione, in condizioni opportune, rappresenta una sua proprietà chimica. Si tratta di una trasformazione chimica perché la composizione cambia e compaiono nuove sostanze con identità diversa.

Le proprietà della materia si distinguono anche per la loro dipendenza dalla quantità di campione. Le proprietà intensive non variano con l’estensione del sistema; quelle estensive sono proporzionali alla quantità di sostanza considerata:

• Proprietà intensive: densità, punto di fusione, punto di ebollizione, pressione di vapore, indice di rifrazione, densità relativa (o gravità specifica);
• Proprietà estensive: massa, volume, quantità di moto, energia totale, carica netta.

La densità è definita da \( \rho = \frac{m}{V} \) ed è intensiva: due campioni di rame da 5,0 g e 50 g hanno la stessa densità, pari a 8,96 g·cm⁻³, pur avendo masse e volumi differenti. La densità relativa è il rapporto tra la densità di una sostanza e quella di un riferimento (spesso l’acqua a 4 °C), ed è priva di unità. Al contrario, massa e volume dipendono dalla quantità: 1,0 g d’argento e 1,0 kg d’argento differiscono sia per valore sia per impiego pratico.

La classificazione basata sulla composizione (Figura 01.02-03) distingue tra sostanze pure e miscele. Una sostanza pura possiede composizione costante e proprietà definite; rientrano in questa categoria gli elementi e i composti. Un elemento non è decomponibile per via chimica in sostanze più semplici (esempi: H₂, O₂, Fe). Un composto nasce dalla combinazione in proporzioni fisse di due o più elementi con formazione di specie chimiche nuove (esempi: H₂O, NaCl, CO₂).

Una miscela è un insieme di due o più sostanze pure che coesistono mantenendo la propria identità chimica; la composizione è variabile. Le miscele possono essere:

• Omogenee (soluzioni), con composizione uniforme e un’unica fase macroscopica; esempi: aria, soluzioni acquose di etanolo, leghe come l’ottone;
• Eterogenee, con composizione non uniforme e più fasi distinguibili; esempi: acqua e olio, sospensioni solide in liquidi, materiali compositi come il cemento.

Le differenze di proprietà fisiche tra i componenti (solubilità, volatilità, dimensione delle particelle, magnetismo) consentono la separazione con metodi fisici non distruttivi, quali distillazione, filtrazione, decantazione, estrazione o magnetoseparazione (Figura 01.02-04). In questo modo, la composizione del sistema cambiata è solo quella macroscopica (distribuzione dei componenti), non l’identità molecolare delle sostanze separate.

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Classificazione della materia

La materia può essere costituita da sostanze pure o da miscele. Le sostanze pure comprendono elementi e composti. Le miscele possono essere omogenee, se la composizione è uniforme in ogni parte, oppure eterogenee, se la composizione varia da punto a punto.

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Classi della materia

Rappresentazione schematica di alcune classi di materia. (a) Una sostanza pura come l'acqua è costituita da un unico componente. (b) Una miscela omogenea, come quella costituita da alcool etilico e acqua, è caratterizzata dalla distribuzione uniforme dei sui componenti. (c) Una miscela eterogena, come il marmo, è caratterizzata dalla distribuzione non uniforme dei suoi componenti. La mancanza di omogeneità è evidente.  

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