Estados de la materia
La materia puede presentarse en diferentes estados de agregación según las condiciones de temperatura y presión a las que esté sometida. Los cuatro estados fundamentales son sólido, líquido, gaseoso y plasma.
Estados fundamentales
Estado sólido
En el estado sólido, las partículas están fuertemente unidas entre sí y ocupan posiciones fijas, aunque pueden vibrar alrededor de ellas. Los sólidos presentan:
- Forma y volumen definidos.
- Muy baja compresibilidad.
- Rigidez y resistencia a la deformación.
- Baja capacidad de difusión.
Ejemplos: hielo, hierro, diamante, sal de mesa.
Sólidos cristalinos: sus partículas se ordenan en redes geométricas definidas, como ocurre en la sal o en muchos metales.
Sólidos amorfos: no tienen un orden interno regular, como el vidrio, la cera o muchos plásticos.
Estado líquido
En el estado líquido, las partículas siguen bastante próximas y mantienen fuerzas de cohesión apreciables, pero pueden deslizarse unas sobre otras. Los líquidos presentan:
- Volumen definido y forma variable.
- Fluidez.
- Tensión superficial.
- Viscosidad.
- Compresibilidad muy baja.
Ejemplos: agua, aceite, mercurio, alcohol.
Fluidos no newtonianos
Algunas sustancias, como el oobleck, muestran un comportamiento intermedio: pueden fluir como líquidos y, al mismo tiempo, ofrecer resistencia como si fueran sólidos cuando se les aplica una fuerza brusca.
Estado gaseoso
En el estado gaseoso, las partículas tienen fuerzas de cohesión prácticamente nulas y se mueven con gran libertad en todas direcciones. Los gases presentan:
- Ni forma ni volumen definidos.
- Alta compresibilidad.
- Gran capacidad de expansión y difusión.
- Baja densidad en comparación con sólidos y líquidos.
Ejemplos: oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, vapor de agua.
Estado plasma
El plasma es un gas ionizado formado por iones positivos y electrones libres. Se considera el cuarto estado fundamental de la materia y presenta:
- Alta conductividad eléctrica.
- Interacciones electromagnéticas intensas.
- Respuesta a campos eléctricos y magnéticos.
- Temperaturas muy elevadas en muchos casos.
Ejemplos: el Sol y otras estrellas, relámpagos, auroras, letreros de neón y lámparas fluorescentes.
Se estima que más del 99% de la materia visible del universo se encuentra en estado de plasma.
Simulación interactiva
La simulación de PhET permite observar cómo cambian la separación, el movimiento y la energía de las partículas al variar la temperatura y la presión.
Estados adicionales
Además de los cuatro estados fundamentales, existen otros estados de la materia que aparecen en condiciones extremas:
- Condensado de Bose-Einstein.
- Superfluidos.
- Cristales líquidos.
- Materia degenerada.
- Materiales superconductores a temperaturas muy bajas.
Teoría cinético-molecular
La teoría cinético-molecular explica el comportamiento macroscópico de la materia a partir de la naturaleza y el movimiento de las partículas que la forman.
Postulados básicos
- La materia está formada por partículas diminutas: átomos, moléculas o iones.
- Las partículas están en movimiento constante.
- La temperatura mide la energía cinética media de esas partículas.
- Entre ellas existen fuerzas de atracción y repulsión que dependen de la distancia.
- Los choques entre partículas y contra las paredes del recipiente son, idealmente, elásticos.
Aplicación a los estados de la materia
| Propiedad | Sólido | Líquido | Gas | Plasma |
|---|---|---|---|---|
| Forma | Definida | Adopta la del recipiente | Ocupa la del recipiente | Variable |
| Volumen | Definido | Definido | Variable | Variable |
| Fuerzas de cohesión | Muy intensas | Moderadas | Muy débiles | Interacciones electromagnéticas |
| Movimiento de partículas | Vibración alrededor de posiciones fijas | Vibración y desplazamiento | Traslación libre en todas direcciones | Movimiento libre de partículas cargadas |
| Ordenación | Alta o media | Intermedia | Muy baja | Baja, con comportamiento colectivo |
| Distancia entre partículas | Muy pequeña | Pequeña | Grande | Grande |
| Compresibilidad | Muy baja | Baja | Alta | Alta |
| Difusión | Muy lenta | Lenta | Rápida | Muy rápida |
| Densidad relativa | Alta | Media | Baja | Muy baja |
Propiedades de los gases según la teoría cinético-molecular
- Compresibilidad: las partículas pueden acercarse mucho entre sí.
- Expansibilidad: tienden a ocupar todo el volumen disponible.
- Presión: surge de los choques de las partículas contra las paredes del recipiente.
- Difusión: las partículas se mezclan espontáneamente.
- Efecto de la temperatura: al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética media.
Propiedades de los estados de la materia
La tabla comparativa anterior resume las propiedades generales y el modelo de partículas de los distintos estados de la materia.
Propiedades específicas
En los sólidos: elasticidad, dureza, tenacidad, maleabilidad, ductilidad y fragilidad.
En los líquidos: tensión superficial, capilaridad, viscosidad y presión de vapor.
En los gases: compresibilidad, expansibilidad, difusividad y presión.
Diagramas de fase
Un diagrama de fase muestra qué estado adopta una sustancia según la temperatura y la presión, y señala las fronteras donde ocurren los cambios de estado.
Elementos de un diagrama de fase
- Curva de fusión: separa sólido y líquido.
- Curva de vaporización: separa líquido y gas.
- Curva de sublimación: separa sólido y gas.
- Punto triple: coexistencia en equilibrio de sólido, líquido y gas.
- Punto crítico: a partir de él desaparece la diferencia entre líquido y gas y aparece el fluido supercrítico.
Demostración con el diagrama de fases del CO₂
El dióxido de carbono permite observar con claridad el punto triple, la fase líquida y el estado supercrítico en el laboratorio.
Anomalías del agua
El agua presenta varias propiedades anómalas:
- Se expande al solidificarse, por eso el hielo flota.
- Tiene densidad máxima a 4 °C.
- Su curva de fusión tiene pendiente negativa.
- Posee alto calor específico y alto calor latente, lo que la convierte en un excelente regulador térmico.
Estas propiedades se deben a la estructura polar de la molécula y a los puentes de hidrógeno entre moléculas de agua.
Temperaturas extremas y estados especiales
Nitrógeno líquido
El nitrógeno líquido se encuentra a unos -196 °C y permite observar fenómenos asociados a temperaturas muy bajas, como la fragilidad extrema de ciertos materiales o la rápida condensación del vapor de agua del aire.
Superconductores
A temperaturas muy bajas, algunos materiales se convierten en superconductores, es decir, conducen la electricidad con resistencia prácticamente nula y expulsan el campo magnético de su interior (efecto Meissner).
- Resistencia eléctrica casi nula.
- Levitación magnética.
- Necesidad de estar por debajo de una temperatura crítica.
Aplicaciones: resonancia magnética, trenes maglev, aceleradores de partículas y transporte eficiente de energía.
Propiedades específicas
Propiedades de los sólidos
Elasticidad: capacidad de recuperar su forma original tras una deformación. Maleabilidad: capacidad de formar láminas delgadas mediante deformación. Ductilidad: capacidad de formar hilos o alambres mediante estiramiento. Tenacidad: resistencia a la rotura por impacto. Dureza: resistencia a ser rayado o penetrado por otro material. Fragilidad: tendencia a fracturarse sin deformación plástica previa.
Propiedades de los líquidos
Tensión superficial: fuerza por unidad de longitud que mantiene unida la superficie de un líquido. Capilaridad: capacidad de un líquido para subir o bajar por un tubo capilar. Viscosidad: resistencia interna de un fluido a fluir. Presión de vapor: presión ejercida por el vapor en equilibrio con su fase líquida a una temperatura dada.
Propiedades de los gases
Compresibilidad: capacidad de reducir su volumen bajo presión. Expansibilidad: tendencia a ocupar todo el volumen disponible. Difusividad: capacidad de mezclarse espontáneamente con otros gases. Presión: fuerza por unidad de superficie debida a los choques de las partículas. Leyes de los gases: relaciones matemáticas que describen su comportamiento (Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac, gases ideales).