I chimici definiscono «sostanza» un campione di materia con composizione chimica definita e dividono le sostanze in elementi e composti.

• Un elemento è una sostanza formata di atomi tutti uguali, cioè tutti con lo stesso numero atomico.
• Un composto si forma quando due o più atomi diversi si legano insieme. Per esempio, l’acqua è un composto, in cui un atomo di ossigeno è «chimicamente legato» a due atomi di idrogeno.

Gli atomi in un composto sono presenti in un rapporto preciso e costante: per esempio, l’acqua contiene sempre due atomi di idrogeno per ogni atomo di ossigeno. Ricordiamo che la più piccola particella di una sostanza (elemento o composto) che ne conserva tutte le caratteristiche è la molecola e che una molecola può essere formata da un solo atomo o da più atomi.

In natura difficilmente si trovano sostanze pure, cioè con una composizione definita in ogni loro parte; più spesso si trovano miscele, cioè materia di composizione variabile, formata da due o più sostanze che conservano ognuna le proprie caratteristiche. Esse si possono distinguere in miscugli e soluzioni.

• Il miscuglio è una miscela eterogenea, in cui le singole sostanze componenti rimangono separate, anche se vengono mescolate. Un esempio di miscuglio è una sabbia formata da granuli diversi.
• Le soluzioni sono miscele omogenee, in cui non è possibile distinguere le singole sostanze componenti e che, pertanto, presentano le stesse caratteristiche in ogni loro parte. Non sono tuttavia sostanze pure, perché la loro composizione può variare entro limiti anche ampi, come quando si fa sciogliere del sale nell’acqua.

La materia che ci circonda si presenta secondo tre diversi «modi di essere», che vengono definiti stati di aggregazione: solido (come le rocce), liquido (come l’acqua) e gassoso (come l’aria).

• I materiali allo stato solido hanno forma e volume proprio. Nei solidi, le molecole sono reciprocamente legate da forze intense e occupano posizioni mediamente fisse una rispetto all’altra.
• I materiali allo stato liquido hanno anch’essi volume proprio, ma assumono la forma del recipiente che li contiene. Nei liquidi le molecole sono legate da forze meno intense, per cui sono libere di scorrere l’una contro l’altra.
• I materiali allo stato gassoso non hanno volume proprio e, liberi da ostacoli, tendono ad espandersi occupando tutto lo spazio disponibile. Nei gas, infatti, le forze di attrazione tra le singole molecole sono deboli.

Lo stato di aggregazione non è una caratteristica fissa di una sostanza: l’acqua può assumere lo stato solido (ghiaccio), liquido o gassoso (vapore acqueo). Ogni sostanza, infatti, può cambiare di stato assorbendo o liberando energia sotto forma di calore (figura ►3). Il passaggio da solido a liquido prende il nome di fusione e assorbe energia; il processo inverso è detto solidificazione e libera energia (calore latente di fusione)

Il passaggio da liquido a gas si chiama evaporazione e assorbe energia; il passaggio inverso è la condensazione (o liquefazione) e avviene con liberazione di energia (calore latente di condensazione).

Il termine sublimazione indica invece il passaggio diretto dallo stato solido a quello gassoso: un esempio di tale processo è il vapore che si libera dal «ghiaccio secco» (che è anidride carbonica allo stato solido). Infine, con brinamento si indica il passaggio diretto da gas a solido.