Hielo, agua y vapor: tres formas diferentes de la misma molécula; H2O. A pesar de tener la misma fórmula química y de estar hechas exactamente de los mismos elementos, estas tres especies tienen estructuras, fuerzas intermoleculares y características muy diferentes. Son grandes ejemplos de los estados de la materia.
- Este artículo trata de los estados de la materia en la química física.
- A continuación, estudiaremos los cambios de estado de la materia.
- Empezaremos definiendo los estados de la materia, antes de ver sus cuatro principales estados: sólido, líquido, gas y plasma.
- También, investigaremos los gases ideales y nos adentraremos en el plasma.
- Por último, veremos algunos ejemplos de estados de la materia.
Qué es la materia
Los estados de la materia son una de las distintas formas físicas en las que puede existir 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.
A diferencia de otras escalas de temperatura, como la escala Fahrenheit, se basa en estados de la materia definidos y medibles.
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:
Vamos a analizar cada uno, empezando por los sólidos.
Es posible que veas el término fase, al hablar de los estados de la materia. Aunque estos términos son similares, tienen significados ligeramente diferentes.
- Una fase se define como una región químicamente distinta y físicamente uniforme de una especie. Esto significa que cada fase distinta tiene la misma estructura, densidad, índice de refracción y magnetización.
- Los estados de la materia son todos ejemplos de fases; pero, se pueden obtener diferentes fases dentro de los estados de la materia. Por ejemplo, el hielo sólido tiene muchas fases distintas, diferenciadas por sus estructuras cristalinas únicas.
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.
En el artículo Estructuras reticulares verás diferentes tipos de sólidos: podrás comparar las estructuras reticulares moleculares, covalentes, iónicas y metálicas y sus propiedades.
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.
Esto se conoce como la ley de los gases ideales, y significa que un mol de cualquier gas ideal ocupa el mismo volumen a la misma temperatura y presión.
Aunque ningún gas es perfectamente ideal, muchos gases se acercan lo suficiente como para que esta ley se utilice en los cálculos químicos.
Los gases que no se comportan exactamente como gases ideales se conocen como gases reales. T
Tenemos un artículo sobre los gases ideales y reales que te ayudará a comparar ambos. Consulta Gases ideales y reales para saber más. Y, si quieres probar a hacer cálculos con la ley de los gases ideales, dirígete a Ley de los gases ideales, para ver muchos ejemplos prácticos.
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.
Encontrarás plasma en las estrellas, las luces de neón, los televisores de plasma y los rayos.
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:
Estado de materia | Sólido | Líquido | Gas | Plasma |
Diagram | | | | |
Distribución | Estrecha | Cercanos | Alejados | Alejados |
Fuerzas Intermoleculares | Fuerte | Débil | Ninguna | Ninguna |
Movimiento y velocidad | Vibran | Aleatorio | Rápido y aleatorio | Rápido y aleatorio |
Forma | Fija | Variable | Variable | Variable |
Volumen | Fija | Fija | Variable | Variable |
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:
Podemos ampliar esto para hablar de los cambios de estado cuando se trata del plasma. Pasar de un gas a un plasma se conoce como ionización, mientras que pasar de un plasma a un gas se conoce como desionización o recombinación.
Ejemplos de la sublimación
- 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.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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.
Estados de agregación de la materia - Puntos Clave
- Los estados de la materia son distintas formas físicas en las que puede existir la materia.
- Los cuatro principales estados de la materia son: el sólido, el líquido, el gas y la plasma. Las partículas de estos estados tienen diferentes disposiciones, velocidades y niveles de energía, entre otras propiedades:
- Las partículas de un sólido se mantienen muy juntas en una posición fija. Tienen poca energía y vibran en el lugar.
- Las partículas de un líquido están muy juntas, pero pueden moverse. Tienen una energía ligeramente superior a la de las partículas de un sólido.
- Las partículas de un gas están muy separadas y se mueven rápidamente. Tienen una energía muy alta.
- El plasma se forma mediante la ionización de un gas y, por tanto, contiene partículas cargadas.
- El cambio de estado de la materia implica calentar o enfriar una sustancia. Cuando una sustancia cambia de estado, su temperatura se mantiene igual, hasta que todas las partículas están en el nuevo estado.
- Algunos ejemplos de estados de la materia los proporciona el agua, H2O. Como sólido, se conoce como hielo; y como gas, se conoce como vapor.
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