Le grandezze che descrivono le proprietà della materia sono di due tipi: le grandezze estensive e le grandezze intensive (tabella 4).

Sono estensive le proprietà fisiche di un materiale o di una sostanza che dipendono dalla dimensione del campione: la massa, il peso, la lunghezza, il volume, l’energia. Sono intensive le proprietà fisiche di un materiale che non dipendono dalla dimensione del campione. Esse, infatti, sono tipiche di quel materiale o di quella sostanza (per esempio, la densità e la temperatura di ebollizione).

L’unità di misura della lunghezza nel SI è il metro, m. L’antico metro campione, in platino-iridio, è tuttora conservato a Sèvres, vicino a Parigi. Oggi l’unità standard si ricava misurando lo spazio percorso dalla luce nel vuoto durante un intervallo di tempo pari a 1/299 792 458 secondi.

Il metro è un’unità di misura adatta per molti oggetti di cui quotidianamente ci serviamo, ma è molto grande per esprimere le dimensioni di atomi, molecole e lunghezze d’onda della luce. In questi casi, si sceglie il sottomultiplo nanometro, nm (10^-9 m), o, più raramente, l’ångström, Å (10^-10 m), un’unità di misura che non fa parte del Sistema Internazionale.

Le dimensioni di atomi e molecole e le lunghezze d’onda della luce si misurano comunemente in nanometri. Fra i due sottomultipli del metro esiste la seguente relazione:

10 Å  = 1 nm

Fino al 1956, il secondo, s, veniva definito con riferimento al giorno solare medio. Sapendo che un giorno è formato da 24 ore e ciascuna ora da 3600 secondi (60 min ⋅ 60 s), un giorno è «scandito» da 86 400 secondi. Pertanto, il secondo rappresenta la 1/86 400 parte di un giorno solare medio.

Oggi il secondo è definito come l’intervallo di tempo necessario alla radiazione emessa dal cesio-133 (¹³³Cs) per produrre 9 192 631 770 vibrazioni.

Le misure di volume sono molto frequenti nel laboratorio di chimica e nella vita quotidiana (perlopiù si tratta di misure di liquidi). Il volume è una grandezza derivata da una lunghezza (elevata al cubo) e la sua unità di misura nel SI è il metro cubo, m³.

Per convertire in millilitri le misure espresse in decimetri cubi, o centimetri cubi, è necessario ricordare che:

1 L = 10^-3 m³ = 1 dm³ = 1000 cm³ = 1000 mL

Pertanto (figura 2):

1 mL = 1 cm³ = 10^-3 dm³

La massa è una proprietà fondamentale della materia. Il termine massa è spesso assimilato alla quantità di materia. In realtà, la massa è definita come segue.

La massa è la misura dell’inerzia di un corpo, cioè la misura della resistenza che il corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto.

L’unità di massa prescelta dal SI è il kilogrammo, kg. La massa campione è un cilindro di platino-iridio, anch’esso conservato a Sèvres.

La massa si misura per mezzo di una bilancia a due piatti e due bracci uguali: sul primo piatto si pone l’oggetto di cui si vuole determinare la massa; sull’altro lo si «bilancia» con masse note.

Le moderne bilance elettroniche, anche se molto diverse dalla bilancia a due piatti, adottano lo stesso principio fisico del confronto dei pesi (figura 3).

Quando le masse sui piatti sono uguali, la Terra esercita la stessa forza di attrazione su ciascuno dei due piatti, che si pongono quindi allo stesso livello. La forza con cui la Terra attira una certa massa è chiamata forza peso o, più brevemente, peso, e dipende dalla accelerazione di gravità, g, che è circa uguale a 9,8 m/s².

Poiché il peso è una forza, ha la stessa unità di misura della forza che, nel SI, corrisponde al newton, N.

Un oggetto con massa pari a 1 kg pesa circa 10 N; più precisamente:

P = m ⋅ g = 1 kg ⋅ 9,8 m/s² = 9,8 N

1 N è quindi il peso di circa un ettogrammo di massa, cioè di una massa che è 10 volte più piccola del chilo.

È possibile determinare il peso di un corpo usando un dinamometro (figura 4): il peso si ricava per confronto con la forza di richiamo della molla.

Mentre la massa è una proprietà caratteristica di ciascun corpo, il peso cambia da un luogo all’altro della superficie terrestre, e da un pianeta all’altro, poiché varia l’accelerazione di gravità (tabella 5).

Infatti il valore di g diminuisce al crescere della distanza dal centro della Terra e varia notevolmente da un pianeta all’altro; sulla Luna, per esempio, è circa sei volte inferiore rispetto alla Terra: un astronauta che sulla Terra ha un peso di 800 N, sulla Luna peserà 800/6 N = 133 N (figura 5).

Ogni corpo ha una densità caratteristica (figura 6), che si determina calcolando il rapporto tra la massa e il volume che esso occupa.

La densità è una proprietà intensiva della materia poiché non dipende dalla quantità di materia presente nel campione e, come vedremo meglio in seguito, varia al variare della temperatura del campione. Per quasi tutti i materiali, l’aumento di temperatura fa diminuire la densità, perché aumenta il volume. Soltanto il ghiaccio e poche altre sostanze fanno eccezione a questa regola.

La pressione influenza invece in modo sensibile il volume dei corpi gassosi; un aumento di pressione comporta sempre una diminuzione del volume gassoso e quindi un incremento della densità assoluta (tabella 6).

Secondo il SI la densità assoluta si misura in kilogrammi/metro cubo:

d = m/V ( kg/m³)

Nell’uso comune si usano anche il grammo, g, per la massa e il millilitro, mL, o il centimetro cubo, cm³, per il volume. Per i gas la densità è espressa generalmente in grammi/litro, g/L.

La densità relativa esprime invece il rapporto tra la massa di un corpo, misurata a 20 °C, e la massa di un uguale volume di acqua distillata, misurata a 4 °C; si tratta perciò di un numero puro (tabella 6).

È necessario ricordare, infine, che la densità ha un significato diverso rispetto al peso specifico, che esprime il rapporto tra il peso di un corpo e il suo volume:

Anche il peso specifico è una proprietà intensiva della materia; la sua unità di misura è il newton/metro cubo.

Quando si ha a che fare con oggetti straordinariamente piccoli, come atomi e molecole, è necessario stabilire un collegamento tra il mondo microscopico (che non vediamo) e il mondo macroscopico (che possiamo misurare). La mole è lo «strumento» che ci permette di effettuare questo tipo di collegamento: essa ci consente infatti di sapere quante particelle (mondo microscopico) sono contenute in una massa di sostanza (mondo macroscopico) che pesiamo con la bilancia (figura 7). Quindi, tanto più piccole sono le particelle, tante più moli vi sono nella stessa massa pesata.

La mole non va confusa con la massa; infatti la mole è una quantità di sostanza che contiene un numero definito di particelle (atomi, molecole, ioni). Possiamo dire che una mole è concettualmente simile a un paio di scarpe: entrambi rappresentano una quantità di sostanza che contiene un numero definito di oggetti. Dato che gli atomi e le molecole sono piccolissimi, in una mole ne sarà contenuto un numero molto grande che è sempre lo stesso, esattamente come in un paio di scarpe vi sono sempre e solo due scarpe. Nonostante le scarpe siano sempre due, un paio di scarpe da bambino pesa molto meno di un paio da uomo; allo stesso modo, una mole contiene sempre lo stesso numero di particelle ma una mole di idrogeno (l’elemento più «leggero») pesa meno, per esempio, di una mole di carbonio.

In particolare la mole è definita nel modo seguente:

Una mole è la quantità di sostanza che contiene un numero di particelle elementari uguale al numero di atomi contenuti in 12 g di carbonio-12.

Secondo il Sistema Internazionale, la mole, mol, rappresenta l’unità di misura della quantità di sostanza ed è una delle sette grandezze fondamentali.

Il numero grandissimo di particelle che ci sono in una mole di qualunque sostanza è detto costante di Avogadro e può essere ricavato facendo il rapporto tra la massa di una mole di atomi di idrogeno, espressa in g/mol, e l’unità di massa atomica, u, che è uguale a 1,661 ⋅ 10^-24 g:

( 1g/mol ) / 1,661 · 10^-24 = 6,022 · 10²³ particelle/mol