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viernes, 18 de abril de 2025

Estados de la materia y fases




En esta sección, abordaremos los diferentes estados de la materia y sus propiedades, introduciendo brevemente algunos conceptos de la química cuantitativa. La materia se encuentra en varios estados, y la transformación entre ellos es una de las manifestaciones más evidentes que conocemos desde la infancia, como la conversión del hielo en agua y de esta en vapor. Los estados de la materia incluyen sólidos, líquidos, gases y plasma, cada uno con características propias que se definen por la disposición y movimiento de las partículas que lo componen.

Estado Sólido

En los sólidos, las partículas (átomos, moléculas o iones) están fuertemente unidas, lo que limita su movimiento a simples vibraciones. Esto resulta en un volumen y forma definidos. Los sólidos cristalinos tienen una estructura ordenada y repetitiva, como el hierro (\ceFe), que cambia de forma cristalina a medida que varía la temperatura. Los sólidos amorfos, como los vidrios, no tienen un patrón ordenado, y se consideran estados no clásicos de la materia. Los sólidos pueden transformarse en líquidos por fusión, y en gases por sublimación. Un sólido se representa con el subíndice (s) en simbología química.

Figura 1. Los cristales, junto con los metales y la estructura amorfa opaca, son algunas de las maneras en que se manifiesta el estado sólido. Los cristales presentan una estructura ordenada y repetitiva de átomos o moléculas, lo que les otorga propiedades como la simetría y la rigidez. Los metales, por su parte, tienen una disposición ordenada de átomos, pero con características como la conductividad eléctrica y térmica. Las estructuras amorfas, como el vidrio, carecen de un orden a largo plazo, lo que les confiere una mayor flexibilidad y propiedades distintas a las de los cristales.

Estado Líquido

Los líquidos son fluidos casi incompresibles que tienen volumen constante pero adoptan la forma de su recipiente. Las fuerzas intermoleculares siguen presentes, pero las partículas tienen suficiente energía para moverse entre ellas. Esto permite que un líquido fluya, pero su volumen se mantiene constante bajo condiciones de presión y temperatura constantes. El agua (\ceH2O) es un ejemplo notable, pues su volumen al congelarse aumenta. Los líquidos se representan con el subíndice (l) en química.

Figura 2. Los metales también pueden pasar al estado líquido al variar la temperatura del sistema. Algunos metales son muy estables en su forma sólida, pero con el aumento de la temperatura, alcanzan su punto de fusión y se convierten en líquidos. Sin embargo, metales como el mercurio (\ceHg) o el germanio (\ceGe) tienen un punto de fusión mucho más bajo en comparación con otros metales. El mercurio, por ejemplo, se funde a temperaturas cercanas a 0 °C, mientras que el germanio lo hace a unos 938 °C. Esta propiedad los hace útiles en aplicaciones donde se requiere un cambio rápido entre estados.

Estado Gaseoso

En los gases, las partículas tienen suficiente energía cinética para superar las fuerzas intermoleculares, lo que resulta en un estado con forma y volumen variables. Los gases se expanden para llenar el recipiente en el que se encuentran. A temperaturas bajas, un gas puede condensarse en un líquido, mientras que a temperaturas altas y presiones bajas, un gas puede convertirse en un fluido supercrítico. Un gas se representa con el subíndice (g). El gas tiene una densidad muy baja, y sus moléculas se encuentran a una distancia considerable entre sí.

Figura 3. En general, los gases son invisibles, casi fantasmagóricos, si no fuera por el poder del viento, que puede moverlos y hacerlos perceptibles a través de sus efectos en el entorno. Demostrar la existencia de los gases fue una cuestión compleja que involucró a los filósofos griegos, quienes debatieron sobre la naturaleza de la materia. Filósofos como Demócrito propusieron la idea de átomos, unidades fundamentales e indivisibles que podrían moverse libremente, pero no fue hasta siglos después que la teoría de los gases comenzó a tomar forma. Los experimentos de científicos como Boyle, Charles y Avogadro finalmente proporcionaron evidencia de la existencia de los gases, sus propiedades y comportamientos, lo que permitió avanzar en la comprensión de este estado de la materia.

Figura 4. El plasma tiene propiedades semejantes a las de los gases a muy baja presión, pero a diferencia de estos, emite radiación en forma de luz debido a la alta energía de las partículas que lo componen. En el plasma, los átomos están tan excitados que los electrones se separan de los núcleos, lo que genera iones y electrones libres. Esta ionización permite que el plasma conduzca electricidad y responda a campos electromagnéticos. Ejemplos de plasma incluyen las estrellas, los rayos y ciertos tipos de pantallas de televisión, donde su capacidad de emitir luz es aprovechada para crear imágenes.

Estado de Plasma

El plasma, al igual que el gas, no tiene forma ni volumen definidos. Sin embargo, se distingue por ser eléctricamente conductor, producir campos magnéticos y responder fuertemente a las fuerzas electromagnéticas. Los plasmas contienen núcleos cargados positivamente en un "mar" de electrones libres, lo que les permite conducir electricidad. Los plasmas se generan al aplicar temperaturas extremadamente altas o una gran diferencia de voltaje. Este estado de la materia se observa en fenómenos como rayos, luces fluorescentes y la corona solar. A altas temperaturas, como las de las estrellas, los electrones son completamente liberados de los átomos, creando un plasma totalmente ionizado. El plasma es representado en diversas aplicaciones tecnológicas y se distingue por emitir radiación en forma de luz.

Otros Estados y Fases

Existen estados de la materia que se presentan solo en condiciones extremas, como los condensados de Bose-Einstein y los plasmas de quark-gluón. Aunque su estudio está en fases experimentales y teóricas, son ejemplos de cómo la materia puede comportarse de formas sorprendentes bajo condiciones extremas de frío, densidad y energía. Un sistema puede contener varias fases inmiscibles dentro de un mismo estado de la materia, y el término "fase" se utiliza a veces de manera intercambiable con "estado", aunque no son exactamente lo mismo.

Figura 5. En química general, por lo general, solo se abordan tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso, que son los más comunes y fácilmente observables en condiciones normales. Sin embargo, existen otros estados más exóticos que también forman parte del comportamiento de la materia. El plasma, por ejemplo, es un estado de la materia comúnmente encontrado en el universo, como en las estrellas, incluyendo el Sol. Este estado se caracteriza por partículas ionizadas, como electrones y núcleos atómicos, que tienen suficiente energía para separarse entre sí. Otros estados menos conocidos incluyen los superfluidos y los condensados de Bose-Einstein, que presentan comportamientos cuánticos sorprendentes y se producen en condiciones extremas de temperatura o presión.

Cambio de fases

Un estado de la materia se caracteriza por transiciones de fase, las cuales implican un cambio en la estructura y se reconocen por alteraciones abruptas en las propiedades del material. Un estado distinto de la materia se define como un conjunto de estados que se distinguen de otros conjuntos por medio de una transición de fase. Aunque algunas propiedades pueden variar dentro de un mismo estado general, los físico-químicos han identificado sub-fases dentro de las fases generales. Por ejemplo, el agua presenta varios estados sólidos distintos. La superconductividad está asociada a una transición de fase, lo que da lugar a los estados superconductores. De manera similar, los estados ferromagnéticos se definen por transiciones de fase, que les otorgan propiedades particulares. Cuando un cambio de fase ocurre de manera gradual, los estados intermedios se conocen como mesofases, que han sido aprovechadas en la tecnología de cristales líquidos.

El estado de la materia de un conjunto dado puede cambiar según las condiciones de temperatura y presión, pasando a otras fases cuando estas condiciones favorecen su existencia; por ejemplo, la transición de sólido a líquido ocurre al aumentar la temperatura. Es interesante que, durante una transición de fase, la temperatura no cambia, incluso cuando el sistema sigue absorbiendo energía. Esto ocurre porque la energía se utiliza primero para romper las interacciones entre las partículas, y solo una vez que el cambio de fase ha concluido, la temperatura comienza a aumentar nuevamente.

Cerca del cero absoluto, una sustancia se encuentra en estado sólido. Al aplicar calor, se derrite en un líquido en su punto de fusión, hierve en gas en su punto de ebullición y, en el caso de algunos compuestos, puede descomponerse en sus elementos. Si la temperatura continúa aumentando, estos elementos pueden entrar en el estado de plasma, donde los electrones se separan de los átomos debido a su alta energía. Los estados de la materia que no están compuestos por moléculas, sino que están organizados por otras fuerzas, también se consideran estados distintos. Ejemplos incluyen los superfluidos (como el condensado fermiónico) y el plasma de quark-gluón.

Figura 6. Los cambios de fase a presión constante se representan en una gráfica donde se relacionan la energía y la temperatura. Durante una transición de fase, como la fusión o la ebullición, la temperatura permanece constante mientras la energía se suministra al sistema. Este comportamiento se debe a que la energía absorbida se utiliza para romper los enlaces químicos entre las partículas en lugar de aumentar la temperatura. En las mesofases, los pasos intermedios entre fases, aunque se añade energía al sistema, la temperatura sigue siendo constante hasta que la fase se ha completado. Solo después de que la transición ha finalizado, la temperatura comienza a aumentar nuevamente. Este fenómeno es crucial para entender los procesos como la fusión del hielo o la ebullición del agua.

Símbolos de fase

En las ecuaciones químicas, el estado de la materia de los reactivos y productos se indica con (s) para sólidos, (l) para líquidos, (g) para gases, y (aq) para soluciones acuosas. Aunque el plasma raramente se emplea en ecuaciones químicas, si se utiliza, se simboliza como (p). Existen otros estados exóticos de la materia, pero para los fines de este curso de química general, estos son los más relevantes.

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., & Lancaster, M. (2022). Chemistry: The central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2021). Chemistry: The central science (14th ed.). Pearson.

Seager, S. (2022). Chemistry for today: General, organic, and biochemistry (10th ed.). Cengage Learning.

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