Estados de la Materia

Definición de los estados de la materia

En 1742, el astrónomo sueco Anders Celsius inventó una forma de medir la temperatura. Observó que el punto de fusión del agua era casi totalmente independiente de su presión, y etiquetó este punto como 100 en su nueva escala. Por otra parte, demostró que el punto de ebullición del agua sí dependía de su presión, y etiquetó su temperatura de ebullición a nivel del mar como 0. En los años siguientes, varios científicos invirtieron su sistema hasta que acabamos con la escala familiar que conocemos hoy: la escala Celsius. Ahora, 0 indica el punto de fusión del agua, mientras que 100 indica su punto de ebullición a nivel del mar, y las unidades se denominan grados Celsius, °C. A diferencia de otras escalas de temperatura, como la escala Fahrenheit, ésta se basa en estados de la materia definidos y mensurables.

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

• Sólido
• Líquido
• Gas

Los veremos uno a 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 muy juntas siguiendo un patrón regular. Existen fuerzas intermoleculares muy fuertes entre las partículas y, por ello, éstas no pueden moverse libremente, sino que vibran alrededor de un punto fijo. Esto significa quelos sólidos mantienen una forma y un volumen determinados, sea cual sea su recipiente. Las partículas también tienen una energía baja.

Fig. 1 - Disposición de las partículas en un sólido

Estado líquido de la materia

Si calientas un sólido, acaba convirtiéndose en líquido. En los líquidos, las partículas están dispuestas al azar. Siguen estando estrechamente unidas por fuerzas intermoleculares, pero estas fuerzas se ven parcialmente superadas, por lo que las partículas pueden moverse con mayor libertad. 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.

Fig. 2 - Disposición de las partículas en un líquido

Estado gaseoso de la materia

El tercer estado principal de la materia es el gas. Se produce cuando calientas un líquido a una temperatura aún mayor. En los gases, las partículas están dispuestas al azar y muy separadas entre sí. No hay (casi) fuerzas intermoleculares entre las partículas, y esto significa que se mueven libremente en todas 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.

Fig. 3 - Disposición de las partículas en un gas

Los gases ideales

Los gases ideales son útiles porque obedecen a 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 8,134 J ^{mol-1 K-1}. 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 pueda utilizarse en los cálculos químicos.

Comparación de los estados de la materia

Para ayudarte a consolidar tu aprendizaje, hemos creado una práctica tabla que compara los tres principales estados de la materia:

Fig. 5 - Tabla comparativa de los tres principales estados de la materia

Cambios en los estados de la materia

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

Si calientas un sólido, su temperatura aumenta. Sin embargo, llega un momento en que su temperatura deja de aumentar. En su lugar, el sólido empieza a fundirse. La energía térmica suministrada se utiliza para aumentar la energía cinética de las partículas y superar las fuerzas intermoleculares que las mantienen fuertemente 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, como antes, llega a una meseta en un punto determinado. 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 punto de ebullición de la sustancia. Su temperatura permanece invariable hasta que toda la sustancia se ha convertido en gas; sólo entonces vuelve a aumentar.

Lo contrario también es cierto. Si tomas un gas y lo enfrías, acaba condensándose en un líquido. Si lo enfrías 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 te muestra los nombres de los cambios de un estado de la materia a otro:

Fig. 6 - Cambios en los estados de la materia

Ejemplos de estados de la materia

Para terminar, exploremos 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°C y se congela a 0°C. Llamamos vapor al agua gaseosa y hielo al agua sólida.
• Elhielo seco, como se conoce, es la forma sólida del dióxido de carbono,_CO2. El_CO2 no tiene estado líquido, sino que sublima directamente de sólido a gas.
• 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. Laleche, el aceite y el jarabe son ejemplos de líquidos, mientras queel oxígeno, el amoníaco y el cloro son ejemplos de gases.