Sostanze, elementi e composti
Tutto ciò di cui siamo fatti e che ci circonda, da un semplice sasso all'intera crosta terrestre, è materia e risulta dall'aggregazione di piccolissime unità costitutive, dette atomi , formate a loro volta da particelle di dimensioni ancora inferiori, protoni, neutroni ed elettroni.
In natura esistono 92 tipi di atomi differenti e, dalle loro svariate combinazioni attraverso reciproche forze attrattive dette legami chimici, si originano le sostanze, tipi di materia che presentano determinate caratteristiche fisiche e una precisa composizione chimica. Una sostanza costituita da atomi dello stesso tipo è un elemento chimico (detto anche sostanza elementare); per esempio, il diamante è formato da atomi di carbonio, il ferro da atomi di ferro, il sodio da atomi di sodio ecc. Possiamo allora definire atomo la più piccola parte di un elemento che ne conserva tutte le caratteristiche e che non può essere scomposta in una sostanza più semplice. Una sostanza formata da due o più atomi di elementi differenti è un composto chimico (o sostanza composta). I composti si suddividono in due grandi categorie: composti inorganici, costituenti la crosta terrestre (acqua, aria, minerali, rocce), e composti organici, presenti esclusivamente negli organismi viventi (e che da essi vengono prodotti). Talvolta, negli elementi e nei composti sono individuabili unità costitutive capaci di esistenza autonoma, dette molecole, formate dall'unione di due o più atomi uguali (negli elementi) o diverse (nei composti). Le sostanze che hanno questa caratteristica sono dette aggregati molecolari (tali sono la maggior parte delle sostanze gassose e liquide e una parte delle sostanze solide). Negli aggregati molecolari i legami sono di tipo covalente.
Non sempre, tuttavia, lo stabilirsi di legami chimici tra atomi porta alla formazione di molecole. Tra le sostanze solide sono infatti abbastanza frequenti gli aggregati cristallini ionici, dove i legami chimici (di tipo ionico) interessano un numero imprecisabile di ioni, disposti secondo una struttura ordinata che si ripete regolarmente nello spazio, detta reticolo cristallino (non sono individuabili molecole vere e proprie, perché i legami ionici sono estesi all'intero edificio cristallino). Sostanze di questo tipo, dette anche composti ionici, sono caratteristiche dei minerali costituenti le rocce che formano la crosta terrestre.
Gli stati di aggregazione della materia
In natura la materia può presentarsi in tre diversi stati di aggregazione, solido, liquido e gassoso, a seconda dell'intensità delle forze di attrazione fra le particelle (ioni, atomi o molecole) che la formano.
Nelle sostanze allo stato solido, le forze di attrazione fra le particelle sono elevatissime, tanto da mantenere queste ultime in posizioni fisse: in alcuni solidi le particelle sono disposte regolarmente, secondo uno schema geometrico caratteristico (reticolo cristallino) e si parla allora di solido cristallino; in altri le particelle non sono disposte regolarmente e i solidi si dicono amorfi. Tra le particelle vengono esercitate delle forze, dette forze di coesione, che, data la loro intensità, conferiscono alla materia rigidità e compattezza. I solidi possiedono pertanto un volume e una forma propri e sono incomprimibili.
Nelle sostanze allo stato liquido, l'intensità delle forze di attrazione tra le particelle è minore; queste ultime possono muoversi scorrendo le une sulle altre e cambiando continuamente posizione. Perciò, i liquidi possiedono un volume proprio, ma non una forma propria, che viene loro invece conferita dal recipiente che li contiene.
Nelle sostanze allo stato gassoso, le forze di attrazione fra le particelle sono praticamente trascurabili, per cui queste ultime possiedono una mobilità elevatissima, che tende a far occupare loro tutto lo spazio disponibile. Pertanto, le sostanze gassose non hanno forma né volume propri e sono comprimibili.