Estados de agregación de la materia

Qué es la materia

En 1742, el astrónomo sueco Anders Celsius inventó una forma de medir la temperatura:

• Se dio cuenta de que el punto de fusión del agua era casi totalmente independiente de su presión, y designó a este punto como 100 en su nueva escala.
• Por otro lado, demostró que el punto de ebullición del agua sí dependía de su presión; y designó su temperatura de ebullición a nivel del mar como 0.

En los años siguientes, varios científicos invirtieron su sistema, hasta llegar a la escala familiar que conocemos hoy: la escala Celsius. Ahora, el 0 indica el punto de fusión del agua, mientras que el 100 indica su punto de ebullición a nivel del mar; las unidades se denominan grados Celsius, °C.

Tipos de estados

Hay cuatro estados principales de la materia. Se caracterizan por su estructura, la disposición de las partículas, las fuerzas intermoleculares y la energía relativa; pueden representarse mediante el modelo de partículas, en el que estas se muestran como esferas. Los cuatro estados son:

• Sólido
• Líquido
• Gas
• Plasma

Vamos a analizar cada uno, empezando por los sólidos.

Estado sólido de la materia

El primer estado de la materia que exploraremos hoy es el sólido. En los sólidos, las partículas se mantienen unidas muy estrechamente en un patrón regular. Existen fuerzas intermoleculares muy fuertes entre estas partículas y, por ello, no pueden moverse libremente, sino que vibran alrededor de un punto fijo. Esto significa que los sólidos mantienen una forma y un volumen determinado, sea cual sea su recipiente. Las partículas también tienen una energía baja.

Estado líquido de la materia

Si se calienta un sólido, acaba convirtiéndose en un líquido. En los líquidos, las partículas están colocadas al azar. Siguen manteniéndose unidas por fuerzas intermoleculares, pero estas fuerzas se ven parcialmente superadas y las partículas pueden moverse más libremente. Esto significa que los líquidos fluyen para adoptar la forma de su recipiente. Sin embargo, siguen teniendo un volumen definido. Como hemos calentado las partículas, tienen más energía que las de un sólido.

¿Qué son los gases?

El tercer estado principal de la materia es el gas. Se produce cuando se calienta un líquido a una temperatura aún mayor. En los gases, las partículas están en distribuidos al azar y están muy separadas. No hay (casi) fuerzas intermoleculares entre las partículas, lo que significa que se mueven libremente en todas las direcciones a gran velocidad y tienen mucha energía. Los gases siempre llenan sus recipientes y no tienen un volumen fijo, sino que pueden comprimirse o expandirse.

Gases ideales

Un gas ideal es un gas teórico, que no tiene fuerzas intermoleculares ni interacciones entre las moléculas. Se supone que las moléculas son partículas sin volumen y que no se pierde energía cinética cuando chocan.

Los gases ideales son útiles, porque obedecen una determinada ley que relaciona la presión (P), la temperatura (T) y el volumen (V), donde PV = nRT. Aquí, n representa el número de moles del gas, y R representa la constante universal de los gases, un valor igual a 0,082.

Aunque ningún gas es perfectamente ideal, muchos gases se acercan lo suficiente como para que esta ley se utilice en los cálculos químicos.

El estado de la materia del plasma

Hay un cuarto estado de la materia, que es más común de lo que crees. De hecho, desempeña un papel en muchos objetos y fenómenos cotidianos. Este estado se llama plasma.

Al igual que el calentamiento de un líquido lo convierte en gas, el calentamiento de un gas lo convierte en plasma. El plasma también puede crearse utilizando un láser, microondas o cualquier campo magnético. Al igual que los gases, las partículas del plasma están dispuestas al azar y muy separadas. No tienen una forma ni un volumen fijos y se expanden para llenar su contenedor.

Sin embargo, a diferencia de los gases, el plasma está formado por partículas cargadas. Cuando se calienta un gas a una temperatura suficientemente alta (o se lleva a cabo uno de los otros métodos de creación de plasma), se separan algunas de las partículas en electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente. Estos electrones se denominan electrones libres. Estas partículas cargadas hacen que el plasma pueda conducir la electricidad.

• Si solo algunas de las partículas del plasma están ionizadas, se dice que el plasma está parcialmente ionizado.
• Pero, si todas las partículas están ionizadas, se dice que el plasma está totalmente ionizado.

Comparación de los estados de la materia

Para ayudarte a estudiar, hemos creado una práctica tabla en la que se comparan los estados de la materia:

Tabla 1. Comparación de los cuatro principales estados de la materia.

Cambios en los estados de la materia

Ahora que sabemos cuáles son los diferentes estados, vamos a ver los cambios de estado de la materia. Como su nombre indica, se trata de pasar de un estado de la materia a otro.

Si se calienta un sólido, su temperatura aumenta. Sin embargo, en algún momento, su temperatura deja de aumentar. En su lugar, el sólido comienza a fundirse. La energía térmica suministrada se utiliza para aumentar la energía cinética de las partículas y superar las fuerzas intermoleculares que las mantienen unidas. Este punto se conoce como punto de fusión de la sustancia.

Una vez que toda la sustancia se ha fundido, su temperatura vuelve a aumentar. Pero, al igual que antes, llega a una meseta en un punto determinado. Entonces, la sustancia empieza a hervir. Una vez más, la energía térmica suministrada se utiliza para aumentar aún más la energía cinética de las partículas y superar las fuerzas intermoleculares restantes entre ellas. Esto se conoce como el punto de ebullición de la sustancia. Su temperatura se mantiene igual hasta que toda la sustancia se ha convertido en gas; solo entonces vuelve a aumentar.

Lo contrario también es cierto: si tomas un gas y lo enfrías, acaba condensándose en un líquido. Si se enfría aún más, se congela y se convierte en un sólido. Algunos sólidos pueden pasar directamente de sólido a gas, saltándose por completo el estado líquido. Esto se conoce como sublimación. El proceso inverso, pasar de gas a sólido, se conoce como deposición.

Aquí tienes un práctico diagrama, que muestra los nombres de los cambios de un estado de la materia a otro:

Ejemplos de la sublimación

1. Un ejemplo típico de la sublimación es el hielo seco. El hielo seco es la forma sólida del dióxido de carbono, CO₂. El CO₂ no tiene estado líquido, sino que se sublima directamente de sólido a gas.
2. Otro ejemplo es el yodo, que permite la sublimación directa e inversa (deposición). El sólido pasa directamente a un gas violeta y, luego, cristaliza al hacer la sublimación inversa en una superficie sólida.

Ejemplos de estados de la materia

Para terminar, vamos a explorar algunos ejemplos comunes de estados de la materia:

1. El ejemplo típico de estados de la materia es el agua, H₂O. A presión atmosférica, hierve a 100 ºC y se congela a 0 ºC. Llamamos vapor al agua gaseosa y hielo al agua sólida.
2. Los dos únicos elementos de la tabla periódica que son líquidos a temperatura ambiente y presión atmosférica son el bromo, Br; y el mercurio, Hg. El resto de los metales son sólidos, mientras que los no metales son una mezcla de sólidos y gases.
3. A temperatura ambiente y presión atmosférica, la arena, la harina y la madera son ejemplos de sólidos; la leche, el aceite y el jarabe son ejemplos de líquidos; mientras que el oxígeno, el amoníaco y el cloro son ejemplos de gases.