EnEn 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 Fe, 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. El estado
sólido se manifiesta en formas como cristales, metales y estructuras
amorfas. Los cristales tienen una estructura ordenada,
brindando simetría y rigidez. Los metales, también
ordenados, destacan por su conductividad y maleabilidad. En
cambio, las estructuras amorfas como el vidrio son irregulares,
lo que les otorga flexibilidad y propiedades útiles en diversas
aplicaciones tecnológicas.
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 (H2O) es un ejemplo notable, pues su
volumen al congelarse aumenta. Los líquidos se representan con el subíndice (l)
en química.
Figura
2. Los metales
pueden fundirse al aumentar la temperatura, pasando del estado sólido
al líquido. Algunos, como el mercurio y el germanio, tienen puntos
de fusión bajos, lo que permite su uso en aplicaciones como termómetros
o semiconductores. Esta propiedad facilita cambios rápidos de estado,
útiles en procesos que requieren precisión térmica sin temperaturas
extremas.
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. Los gases,
invisibles y difíciles de representar, solo se perciben por sus efectos
en el entorno. Aunque los coloides ayudan a visualizar su comportamiento
fluido, no son gases reales. Desde Demócrito hasta Boyle, Charles
y Avogadro, la comprensión de los gases avanzó desde ideas filosóficas
hasta leyes científicas que explican sus propiedades físicas y comportamiento.
Figura
4. El plasma
es un estado de la materia similar a los gases, pero con alta energía
que provoca la ionización de los átomos, generando electrones libres
e iones. Esto le permite emitir luz, conducir electricidad
y responder a campos electromagnéticos. Está presente en las estrellas,
los rayos y pantallas tecnológicas que aprovechan su luminosidad.
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 se estudian principalmente los estados sólido, líquido
y gaseoso, pero existen otros como el plasma, compuesto por partículas
ionizadas y abundante en el universo. También están los superfluidos
y los condensados de Bose-Einstein, que muestran comportamientos
cuánticos en condiciones extremas. Estos estados exóticos amplían la
comprensión del comportamiento de la materia.
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. Durante
los cambios de fase a presión constante, como la fusión o ebullición,
la temperatura permanece constante mientras se suministra energía,
ya que esta se usa para romper enlaces entre partículas. En las mesofases,
este comportamiento también ocurre. Solo tras completar la transición, la
temperatura vuelve a aumentar. Este fenómeno es clave en la termodinámica
y procesos físicos cotidianos.
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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