Estados de la materia

Los estados de la materia son las diversas fases cambiantes de toda la materia que compone el universo. Todo lo que ocupa espacio y tiene masa en nuestro universo es materia. Al mismo tiempo, toda la materia está formada por átomos, que a su vez están formados por protones, neutrones y electrones.

Los átomos se unen para formar moléculas, que son los componentes básicos de todo tipo de materia. Tanto los átomos como las moléculas se mantienen unidos por una forma de energía potencial llamada energía química. A diferencia de la energía cinética, que es la energía de un objeto en movimiento, la energía potencial es la energía almacenada en un objeto.

Los estados principales

La materia que nos rodea existe en tres estados principales: sólido, líquido y gaseoso, y además puede cambiar de un estado a otro.

Sólido

Debido a que las moléculas están dispuestas con mucha regularidad, en el estado sólido la distancia entre las moléculas es muy cercana y la interacción entre ellas también es muy fuerte. Por lo tanto, las partículas sólidas solo vibran en una posición fija, por lo que la distancia entre las moléculas se mantiene constante y el volumen o la forma no cambia.

Líquido

En un estado líquido de la materia, cuando se enfría un gas, el movimiento térmico de las moléculas se debilita, la distancia entre ellas se acerca y la atracción trabaja para atraerse entre sí. En este estado, las moléculas no se mueven más libremente que en el estado gaseoso debido a la interacción entre ellas, y solo se mueven relativamente libres dentro del líquido.

Por lo tanto, el líquido es fluido, no tiene una forma determinada y se llena de acuerdo con la forma del recipiente que lo contiene. Además, aunque el volumen de un gas cambia según el estado de la temperatura o presión, un líquido presenta un volumen casi constante porque la distancia entre las moléculas no cambia, incluso cuando se calienta o se aplica presión.

Gaseoso

Dado que las moléculas de gas tienen un movimiento térmico muy irregular y rápido en una dirección desordenada, la distancia entre las partículas es larga, por lo que hay poca interacción entre las moléculas y tiene una gran energía cinética. Por lo tanto, no existe una forma fija y la forma cambia según el contenedor.

Otros estados de la materia

Además de los tres estados de la materia que figuran como principales,  también se conocen dos estados más: el plasma y los condensados fermiónicos. Estos estados no se producen de forma natural como los principales, por lo que son menos frecuentes en el entorno de la vida diaria.

Plasma

El plasma es un gas altamente ionizado a alta temperatura compuesto por átomos o moléculas ionizados y el mismo número de electrones. También es completamente neutro. Se trata de un estado relativamente raro que se ve en la Tierra con relámpagos y auroras, pero es el estado más común en el espacio. Para tener una idea, el sol, las estrellas y las nebulosas de emisión están en estado plasmático.

La diferencia entre el gas y el plasma es que, aunque las moléculas son similares y están separadas por una distancia considerable, la interacción entre las moléculas de gas es débil y tiene poco efecto sobre el movimiento de otras moléculas; mientras que en el estado de plasma, los iones interactúan por atracción y repulsión.

Aquí, el plasma se mueve mediante campos eléctricos y magnéticos y puede cambiar de forma y disposición.

Condensado de Bose-Einstein

El condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés) es el estado descubierto más reciente de la materia, creado por científicos en 1995.

Usando una combinación de láseres e imanes, Eric Cornell y Carl Weiman, científicos del Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio (JILA) en Boulder, Colorado, enfriaron una muestra de rubidio a unos pocos grados del cero absoluto.

A esta temperatura extremadamente baja, el movimiento molecular se encuentra muy cerca de detenerse. Dado que casi no se transfiere energía cinética de un átomo a otro, estos comienzan a agruparse. Por lo tanto, ya no hay miles de átomos separados, sino solo un ‘superátomo’.

Un BEC se utiliza para estudiar la mecánica cuántica a nivel macroscópico. Aquí, la luz parece ralentizarse a medida que pasa a través de un BEC, lo que permite a los científicos estudiar la paradoja partícula / onda. Un BEC también tiene muchas de las propiedades de un superfluido o un fluido que fluye sin fricción. Este estado de la materia también se utiliza para simular las condiciones que podrían existir en los agujeros negros.

Cambios de fase

Los cambios en los estados de la materia ocurren cuando la materia pierde o absorbe energía. Cuando una sustancia absorbe energía, sus átomos y moléculas se mueven más rápido, y este aumento de energía cinética empuja a la partícula lo suficientemente lejos como para cambiar su forma. Esta energía suele ser calor o energía térmica. De esta manera, varias sustancias que nos rodean a diario cambian de estado según las condiciones.

Un cambio de fase ocurre cuando se presenta una alteración de temperatura o presión en el sistema. A medida que se produce este cambio, aumentan las interacciones entre moléculas. De manera similar, cuando se baja la temperatura, es más fácil que las moléculas y los átomos se asienten en una estructura más rígida.

Los cambios físicos en la materia son reversibles y no implican ningún cambio en la composición química de una sustancia. Los cambios de estado comunes incluyen fusión, congelación, sublimación, condensación y evaporización.

Fusión

Este es el proceso por el cual un sólido se convierte en líquido; y el punto de fusión es la temperatura a la que un sólido se convierte en líquido.

Esto ocurre cuando se saca un cubo de hielo del congelador y se coloca en una habitación cálida. En esa condición, el hielo absorbe la energía del aire caliente que lo rodea. La energía absorbida les facilita a las partículas superar las fuerzas gravitacionales que las mantienen juntas, lo que les permite deslizarse de la posición fija que están sosteniendo como hielo.

Congelación

El proceso por el cual el agua líquida se convierte en hielo sólido se llama congelación. La temperatura a la que ocurre este cambio de fase se conoce como punto de congelación.

Aquí, la transferencia de calor ocurre, por ejemplo, entre una bandeja muy caliente y el aire más frío en el congelador. Esta transferencia de calor ocurre hasta que no hay energía disponible para que las partículas se deslicen unas sobre otras. Las partículas entonces se mantienen en su lugar por la fuerza de atracción entre ellas, lo que les permite permanecer en una posición fija, alcanzando el estado sólido.

Deposición o sublimación

El proceso por el cual un sólido se convierte directamente en gas se llama sublimación. Esto sucede cuando el sólido absorbe suficiente energía para superar por completo la atracción entre ellos. El hielo seco es un ejemplo de un sólido que se sublima.

Vaporación o evaporación

El proceso por el cual un líquido hierve y se convierte en gas se llama vaporización. El punto de ebullición es la temperatura a la que hierve un líquido.

Cuando el agua está lo suficientemente caliente, comienza a hervir y a formar burbujas de vapor. Esto ocurre cuando las partículas de agua líquida ganan suficiente energía para superar completamente la atracción entre ellas y cambiar al estado gaseoso. Durante el cambio de fase, se observa la presencia de burbujas efervescentes y el agua sale de la olla en forma de vapor.

Condensación

El proceso de convertir un gas en líquido se llama condensación. Este proceso ocurre por ejemplo al tomar una ducha caliente en un baño cerrado.

Al hacer esto, los espejos se empañan porque el agua caliente se evapora y cuando entra en contacto con una superficie más fría, como un espejo, se enfría y pierde energía. Entonces, las partículas de agua más fría ya no tienen la energía para vencer la atracción entre ellas, por ello se unen para formar gotitas de líquido.

Los diferentes estados de la materia comprueban que todo objeto que existe sufre un cambio de estado; y esto solo ocurre por la cantidad de calor y presión suministrada al material. Con suficiente calor y presión, cualquier cosa en este planeta puede cambiar de estado. Sin embargo, no todas las sustancias tienen que seguir el camino sólido-líquido-gas, algunas sustancias pueden cambiar naturalmente de un estado sólido a un estado gaseoso sin entrar en estado líquido.