Estados de Agregación de la Materia

Observamos cinco estados de la materia en el sitio. Los sólidos, líquidos, gases, plasmas y condensados de Bose-Einstein (BEC) son diferentes estados de la materia que tienen diferentes propiedades físicas.

Los sólidos son a menudo duros, los líquidos llenan los contenedores y los gases nos rodean en el aire. Cada uno de estos estados también se conoce como una fase.agregación de la materia

¿Cómo cambia la materia de un estado a otro? Los elementos y compuestos pueden moverse de un estado a otro cuando las condiciones físicas específicas cambian.

Por ejemplo, cuando la temperatura de un sistema sube, la materia en el sistema se vuelve más excitada y activa.

Si se introduce suficiente energía en un sistema, puede producirse un cambio de fase a medida que la materia pasa a un estado más activo.

Digamos que tiene un vaso de agua (H2O). Cuando la temperatura del agua sube, las moléculas se excitan más y rebotan mucho más.

Si le das suficiente energía a una molécula de agua líquida, ésta escapa de la fase líquida y se convierte en un gas. La energía extra permite que las moléculas cambien de estado.

La Energía

¿Alguna vez has notado que puedes oler una cena de pavo después de que empieza a calentarse? A medida que la energía de las moléculas dentro del pavo se calienta, escapan como un gas. Usted es capaz de oler los compuestos volátiles que se mezclan en el aire que lo rodea.

“Fase” describe el estado físico de la materia. La palabra clave a tener en cuenta es “físico”. La materia sólo se mueve de una fase a otra por medios físicos. Si se añade energía (aumentando la temperatura) o si se le quita energía (congelando algo), puede crear un cambio físico.

Cambiar la presión de un sistema es otra manera de crear un cambio físico. Si usted coloca un vaso de agua líquida sobre una mesa, se quedará ahí sentado.

Si se coloca un vaso de agua en una cámara de vacío y se reduce la presión, se puede empezar a observar cómo hierve el agua y las moléculas de agua pasan a una fase gaseosa.

Vapor

Cuando las moléculas se mueven de una fase a otra, siguen siendo la misma sustancia. Hay vapor de agua sobre una olla de agua hirviendo. Ese vapor (o gas) puede condensarse y convertirse en una gota de agua líquida en el aire más frío.

Si pones esa gota de líquido en el congelador, se convertirá en un sólido pedazo de hielo. No importaba en qué estado físico estuviera, siempre era agua. Aunque el estado físico cambió, las propiedades químicas eran las mismas.

Por otro lado, un cambio químico construiría o rompería los enlaces químicos en las moléculas de agua (H2O).

Si usted agregara un átomo de carbono (C), crearía formaldehído (H2CO). Si se añade un átomo de oxígeno (O), se crea peróxido de hidrógeno (H2O2).

Ninguno de los nuevos compuestos se parece en nada a la molécula de agua original. Generalmente, los cambios en el estado físico no conducen a ningún cambio químico en los compuestos.

Los cinco estados de la materia

La ciencia física, que incluye la química y la física, se suele considerar como el estudio de la naturaleza y las propiedades de la materia y la energía en los sistemas no vivos.

La materia es la “materia” del universo – los átomos, moléculas e iones que componen todas las sustancias físicas. La materia es cualquier cosa que tiene masa y ocupa espacio.

La energía es la capacidad de provocar el cambio. La energía no puede ser creada o destruida; sólo puede ser conservada y convertida de una forma a otra.

La”energía potencial” es la energía almacenada en un objeto debido a su posición – por ejemplo, un cubo de agua balanceado sobre una puerta tiene el potencial de caer.

La”energía cinética” es la energía que está en movimiento y que causa cambios. Cualquier objeto o partícula que esté en movimiento tiene energía cinética basada en su masa y velocidad.

La energía cinética se puede convertir en otras formas de energía, como la energía eléctrica y la energía térmica.

Cinco fases

Existen cinco fases o estados conocidos de la materia: sólidos, líquidos, gases, plasma y condensados de Bose-Einstein. La principal diferencia en las estructuras de cada estado está en las densidades de las partículas.

Sólidos

En un sólido, las partículas se empaquetan bien juntas, por lo que no pueden moverse mucho. Las partículas de un sólido tienen una energía cinética muy baja.

Los electrones de cada átomo están en movimiento, así que los átomos tienen una pequeña vibración, pero están fijos en su posición.

Los sólidos tienen una forma definida. No se ajustan a la forma del recipiente en el que se colocan. También tienen un volumen definido.

Las partículas de un sólido ya están tan apretadas que el aumento de la presión no comprime el sólido a un volumen menor.

El sólido es uno de los tres estados principales de la materia, junto con el líquido y el gas. La materia es la “materia” del universo, los átomos, moléculas e iones que componen todas las sustancias físicas.

Sólidos cristalinos

Los sólidos cristalinos, o cristales, son considerados como “sólidos verdaderos”. Los minerales son sólidos cristalinos.

La sal común de mesa es un ejemplo de este tipo de sólidos. En los sólidos cristalinos, los átomos, iones o moléculas están dispuestos en un patrón ordenado y simétrico que se repite en todo el cristal.

La estructura repetitiva más pequeña de un sólido se llama célula unitaria, que es como un ladrillo en una pared.

La página de ChemWiki en la Universidad de California, Davis, lista estos sistemas como cúbicos, hexagonales, tetragonales, romboédricos, ortorrómbicos, monoclínicos y triclínicos.

Tipos de sólidos cristalinos

Existen cuatro tipos de sólidos cristalinos: sólidos iónicos, sólidos moleculares, sólidos covalentes en red y sólidos metálicos.

Los compuestos iónicos forman cristales compuestos de iones con carga opuesta: un catión con carga positiva y un anión con carga negativa.

Debido a la fuerte atracción entre cargas opuestas, se necesita mucha energía para superar los enlaces iónicos. Esto significa que los compuestos iónicos tienen puntos de fusión muy altos, a menudo entre 300 y 1.000 grados Celsius (572 a 1.832 grados Fahrenheit).

Mientras que los propios cristales son duros, frágiles y no conductores, la mayoría de los compuestos iónicos pueden disolverse en agua, formando una solución de iones libres que conducirán la electricidad.

Sólidos moleculares

Los sólidos moleculares están compuestos de moléculas unidas covalentemente atraídas entre sí por fuerzas electrostáticas (llamadas fuerzas de van der Waals, según el sitio web de HyperPhysics).

Debido a que la unión covalente implica compartir electrones en lugar de la transferencia directa de esas partículas, los electrones compartidos pueden pasar más tiempo en la nube de electrones del átomo más grande, causando una polaridad débil o cambiante.

La mayoría de los sólidos moleculares son no polares. Estos sólidos moleculares no polares no se disuelven en agua, sino que se disuelven en un solvente no polar, como el benceno y el octano.

Los sólidos moleculares polares, como el azúcar, se disuelven fácilmente en agua. Los sólidos moleculares no son conductores.

Ejemplos de sólidos moleculares incluyen hielo, azúcar, halógenos como el cloro sólido (Cl2), y compuestos que consisten en un halógeno e hidrógeno como el cloruro de hidrógeno (HCl). Las “buckyballs” de fullereno son también sólidos moleculares.

Red de sólidos covalentes

En un sólido de red, no hay moléculas individuales. Los átomos están unidos covalentemente en una red continua, resultando en enormes cristales. En una red sólida, cada átomo está unido covalentemente a todos los átomos circundantes.

Los sólidos de red tienen propiedades similares a las de los sólidos iónicos. Son sólidos muy duros, algo quebradizos, con puntos de fusión extremadamente altos (más de 1,000 C o 1,800 F). A diferencia de los compuestos iónicos, no se disuelven en el agua ni conducen la electricidad.

Ejemplos de sólidos de red incluyen diamantes, amatistas y rubíes.

Sólidos metálicos

Los metales son opacos, sólidos brillantes que son maleables y dúctiles. Maleables significa que son suaves y pueden ser formados o presionados en láminas delgadas, mientras que dúctiles significa que pueden ser jalados en alambres.

En un enlace metálico, los electrones de valencia no son donados o compartidos como lo son en enlaces iónicos y covalentes.

Un metal puede describirse como una red de cationes positivos dentro de un “mar” de electrones negativos. Esta movilidad de electrones significa que los metales son altamente conductores de calor y electricidad.

Sólidos amorfos

En los sólidos amorfos (literalmente “sólidos sin forma”), las partículas no tienen un patrón de retícula repetitivo.

También se les llama “pseudo-sólidos”. Ejemplos de sólidos amorfos incluyen vidrio, caucho, geles y la mayoría de los plásticos.

Un sólido amorfo no tiene un punto de fusión definido, sino que se funde gradualmente en un rango de temperaturas, porque los enlaces no se rompen todos a la vez.

Los sólidos amorfos no tienen simetría característica, por lo que no tienen planos regulares de clivaje cuando se cortan; los bordes pueden ser curvos.

Líquidos

En la fase líquida, las partículas de una sustancia tienen más energía cinética que las de un sólido. Las partículas líquidas no se mantienen en una disposición regular, pero todavía están muy cerca unas de otras, por lo que los líquidos tienen un volumen definido.

Los líquidos, como los sólidos, no pueden ser comprimidos. Las partículas de un líquido tienen el espacio suficiente para fluir una alrededor de otra, por lo que los líquidos tienen una forma indefinida. Un líquido cambiará de forma para ajustarse a su recipiente.

Cohesión y adhesión

La cohesión es la tendencia a que el mismo tipo de partículas se atraigan entre sí. Esta “pegajosidad” cohesiva explica la tensión superficial de un líquido.

La tensión superficial puede considerarse como una “piel” muy fina de partículas que se atraen entre sí con más fuerza de lo que se atraen a las partículas que las rodean.

Mientras estas fuerzas de atracción no sean perturbadas, pueden ser sorprendentemente fuertes. Por ejemplo, la tensión superficial del agua es lo suficientemente grande como para soportar el peso de un insecto como un patrón de agua.

El agua es el líquido no metálico más cohesivo, según el Servicio Geológico de los Estados Unidos.

Viscosidad

La viscosidad es una medida de la resistencia de un líquido a fluir libremente. Se dice que un líquido que fluye muy lentamente es más viscoso que un líquido que fluye fácil y rápidamente.

Una sustancia con baja viscosidad se considera más delgada que una sustancia con mayor viscosidad, que normalmente se considera más gruesa.

Por ejemplo, la miel es más viscosa que el agua. La miel es más espesa que el agua y fluye más lentamente.

Por lo general, la viscosidad puede reducirse calentando el líquido. Cuando se calientan, las partículas del líquido se mueven más rápido, permitiendo que el líquido fluya más fácilmente.

Evaporación

Debido a que las partículas de un líquido están en constante movimiento, chocarán entre sí y con los lados del recipiente.

La evaporación ocurre cuando las partículas de la superficie ganan suficiente energía cinética para escapar del sistema.

A medida que las partículas más rápidas escapan, las partículas restantes tienen una energía cinética media más baja, y la temperatura del líquido se enfría. Este fenómeno se conoce como enfriamiento por evaporación.

Volatilidad

Se puede pensar en la volatilidad como la probabilidad de que una sustancia se vaporice a temperaturas normales.

La volatilidad es más a menudo una propiedad de los líquidos, pero algunos sólidos altamente volátiles pueden sublimarse a temperatura ambiente normal. La sublimación ocurre cuando una sustancia pasa directamente de sólido a gas sin pasar por el estado líquido.

Cuando un líquido se evapora dentro de un contenedor cerrado, las partículas no pueden escapar del sistema.

Algunas de las partículas evaporadas eventualmente entrarán en contacto con el líquido restante y perderán suficiente energía para condensarse de nuevo en el líquido.

Cuando la velocidad de evaporación y la velocidad de condensación son las mismas, no habrá una disminución neta en la cantidad de líquido.

Gases

Las partículas de gas tienen mucho espacio entre ellas y tienen una alta energía cinética. Si no está confinado, las partículas de un gas se expandirán indefinidamente; si está confinado, el gas se expandirá para llenar su contenedor.

Cuando un gas se somete a presión al reducir el volumen del recipiente, el espacio entre las partículas se reduce, y la presión ejercida por sus colisiones aumenta.

Si el volumen del recipiente se mantiene constante, pero la temperatura del gas aumenta, entonces la presión también aumentará.

Leyes de gas

La temperatura, presión, cantidad y volumen de un gas son interdependientes, y muchos científicos han desarrollado leyes para describir las relaciones entre ellos.

Ley de Carlos (ley de Gay-Lussac)

En 1802, Joseph Louis Gay-Lussac, un químico y físico francés, hizo referencia a los datos recopilados por su compatriota, Jacque Charles, en un artículo que describía la relación directa entre la temperatura y el volumen de un gas mantenido a una presión constante.

Esta ley establece que el volumen y la temperatura de un gas tienen una relación directa: A medida que la temperatura aumenta, el volumen aumenta, cuando la presión se mantiene constante.

El número de Avogadro

En 1811, el científico italiano Amedeo Avogadro propuso la idea de que volúmenes iguales de gas a la misma temperatura y presión tendrían el mismo número de partículas, independientemente de su naturaleza química y propiedades físicas.

Constante de gas ideal

La energía cinética por unidad de temperatura de un mol de un gas es un valor constante, a veces denominado constante de Regnault, que debe su nombre al químico francés Henri Victor Regnault.

Se abrevia con la letra R. Regnault estudió las propiedades térmicas de la materia y descubrió que la ley de Boyle no era perfecta.

Cuando la temperatura de una sustancia se acerca a su punto de ebullición, la expansión de las partículas de gas no es exactamente uniforme.

Ley del gas ideal

El Número de Avogadro, la constante de gas ideal, y las leyes de Boyle y Charles se combinan para describir un gas ideal teórico en el que todas las colisiones de partículas son absolutamente iguales.

Las leyes se acercan mucho a la descripción del comportamiento de la mayoría de los gases, pero hay desviaciones matemáticas muy pequeñas debido a las diferencias en el tamaño real de las partículas y las pequeñas fuerzas intermoleculares en los gases reales.

Plasma

El plasma no es un estado común de la materia aquí en la Tierra, pero puede ser el estado más común de la materia en el universo. El plasma consiste en partículas altamente cargadas con una energía cinética extremadamente alta.

Los gases nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) se utilizan a menudo para hacer señales luminosas utilizando electricidad para ionizarlas al estado de plasma. Las estrellas son esencialmente bolas de plasma sobrecalentadas.

El plasma es un estado de la materia que a menudo se considera como un subconjunto de gases, pero los dos estados se comportan de manera muy diferente.

Al igual que los gases, los plasmas no tienen una forma o volumen fijo y son menos densos que los sólidos o líquidos.

Pero a diferencia de los gases ordinarios, los plasmas están formados por átomos en los que algunos o todos los electrones han sido eliminados y los núcleos cargados positivamente, llamados iones, se mueven libremente.

Partículas cargadas

Un gas típico, como el nitrógeno o el sulfuro de hidrógeno, está formado por moléculas que tienen una carga neta de cero, lo que da al volumen de gas en su conjunto una carga neta de cero.

Los plasmas, al estar hechos de partículas cargadas, pueden tener una carga neta de cero en todo su volumen, pero no a nivel de partículas individuales.

Esto significa que las fuerzas electrostáticas entre las partículas en el plasma se vuelven significativas, así como el efecto de los campos magnéticos.

Al estar hechos de partículas cargadas, los plasmas pueden hacer cosas que los gases no pueden hacer, como conducir la electricidad. Y como las cargas en movimiento crean campos magnéticos, los plasmas también pueden tenerlos.

Plasmas en acción

Un lugar donde se puede ver plasmas en acción es en una bombilla fluorescente o en un letrero de neón. En esos casos un gas (neón para señales) es sometido a un alto voltaje, y los electrones son separados de los átomos del gas o empujados a niveles de energía más altos.

El gas dentro de la bombilla se convierte en plasma conductor. Los electrones excitados que regresan a sus niveles de energía anteriores emiten fotones – la luz que vemos en un letrero de neón o una lámpara fluorescente.

Fusión y congelación

Cuando se aplica calor a un sólido, sus partículas comienzan a vibrar más rápido y tienden a separarse más. Cuando la sustancia, a presión estándar, alcanza un cierto punto – llamado punto de fusión – el sólido comenzará a convertirse en líquido.

El punto de fusión de una sustancia pura a menudo puede determinarse dentro de 0,1 grados C, el punto en el que las fases sólida y líquida están en equilibrio.

Si continúa aplicando calor a la muestra, la temperatura no subirá por encima del punto de fusión hasta que toda la muestra se haya licuado.

La energía calorífica se utiliza para convertir el sólido en líquido. Una vez que toda la muestra se haya convertido en un líquido, la temperatura comenzará a subir de nuevo.

¿Qué se entiende por temperatura ambiente?

El estado de la materia de un elemento o átomo se basa en su comportamiento a temperatura ambiente.

Pero, ¿qué es exactamente la temperatura ambiente? La temperatura ambiente se refiere a la temperatura del aire que no se calienta o enfría específicamente. Normalmente entre 20 y 25°C (68 y 77°F).

Mientras que la temperatura real podría ser más caliente o más fría que estas cifras, simplemente significa que la materia no ha sido colocada en un horno o un congelador, sino que fue dejada fuera en la habitación para alcanzar la temperatura del resto de la habitación.

Si un cubo de hielo se dejaba en la habitación durante un tiempo, se derretía y se convertía en agua líquida.

El agua es un líquido a temperatura ambiente. Un diamante, por otro lado, es un sólido a temperatura ambiente y no cambiará de estado sin importar cuánto tiempo permanezca allí.

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