domingo, 13 de junio de 2021

Los estados de la materia

[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [La materia y sus propiedades] [Introducción] [Los estados de la materia] [Cualitativas y cuantitativas] [Químicas y físicas] [Algunos instrumentos de laboratorio] [Algunos procedimientos de laboratorio] [Sustancias puras e impuras] [Elementos y compuestos] [Abundancia de los elementos] [Propiedades energéticas] [Referencias]


En esta sección analizaremos diferentes propiedades de la materia, y sus estados, además introduciremos someramente algo del análisis matemático propio de la química cuantitativa.

Figura 21.  Estados regulares de la materia. Por lo general en química general solo hablamos de tres estados de la materia, sólido, líquido y gaseoso, pero existen otros estados de la materia, dentro de los cuales, el plasma es el más común.

La química trata de las transformaciones de la materia, y no existe transformación más evidente y que conozcamos con mayor inmediatez desde nuestra infancia que los estados de la materia. El hielo se transforma el agua, y el agua en vapor, en esta unidad trataremos los estados de la materia. En física, el estado de la materia es una de las formas distintas en que la materia puede existir. Cuatro estados de la materia son observables en la vida cotidiana: sólidos, líquidos, gaseosos y plasmáticos “como las lenguas del fuego brillante”. Se sabe que muchos otros estados existen solo en situaciones extremas, como los condensados ​​de Bose-Einstein, materia degenerada por neutrones y plasma de quark-gluón, que solo se presentan en situaciones de frío extremo, densidad extrema y energía extremadamente alta. Se cree que algunos otros estados son posibles, pero siguen siendo teóricos por ahora.

Históricamente, la distinción se basa en diferencias cualitativas en las propiedades. La materia en estado sólido mantiene un volumen y forma fijos, con partículas componentes (átomos, moléculas o iones) juntas y fijadas en su lugar. La materia en estado líquido mantiene un volumen fijo, pero tiene una forma variable que se adapta a su contenedor. Sus partículas aún están juntas, pero se mueven libremente. La materia en estado gaseoso tiene tanto un volumen como una forma variable, adaptándose ambos para adaptarse a su contenedor. Sus partículas no están ni juntas ni fijadas en su lugar. La materia en estado de plasma tiene volumen y forma variables, pero además de átomos neutros, contiene una cantidad importante de iones y electrones, que pueden moverse libremente. El término fase se usa a veces como sinónimo del estado de la materia, pero un sistema puede contener varias fases inmiscibles del mismo estado de la materia.

Estado sólido

En un sólido, las partículas (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son fuertes, de modo que las partículas no pueden moverse libremente, pero solo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable, definida y un volumen definido. Los sólidos solo pueden cambiar su forma por la fuerza, como cuando se rompen o cortan. En sólidos cristalinos, las partículas (átomos, moléculas o iones) se empaquetan en un patrón repetitivo ordenado regularmente. Existen varias estructuras cristalinas diferentes, y la misma sustancia puede tener más de una estructura (o fase sólida). Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas por debajo de 912 ° C, y una estructura cúbica centrada en la cara entre 912 y 1394 ° C. El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones.

Figura 22.  Los cristales, junto con los metales y la estructura amorfa opaca son algunas de las maneras en que se manifiesta el estado sólido.

Los vidrios y otros sólidos amorfos no cristalinos sin orden de largo alcance no son estados de equilibrio térmico basal; por lo tanto, se describen como estados de la materia no clásicos. Los sólidos pueden transformarse en líquidos fundiéndose y los líquidos pueden transformarse en sólidos por congelación. Los sólidos también pueden transformarse directamente en gases a través del proceso de sublimación, y los gases también pueden transformarse directamente en sólidos a través de la deposición. En términos de simbología química un elemento o compuesto puro en estado sólido tiene un descriptor en forma del subíndice (s) que significa sólido.

Estado líquido

Un líquido es un fluido casi incompresible que se adapta a la forma de su recipiente, pero retiene un volumen (casi) constante independientemente de la presión. El volumen es definitivo si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión, se vuelve líquido, dado que la presión es más alta que el punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares (o interatómicas o interiónicas) siguen siendo importantes, pero las moléculas tienen suficiente energía para moverse entre sí y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no es definitiva, sino que está determinada por su contenedor.

Figura 23.  Los metales también pueden pasar al estado líquido al variar la temperatura del sistema, algunos son uy estables, pero con el mercurio o el germanio el rango de temperaturas para pasar a líquido es bastante bajo.

El volumen suele ser mayor que el del correspondiente sólido, la excepción más conocida es el agua, H2O. La temperatura más alta a la que puede existir un líquido determinado es su temperatura crítica. Los líquidos puros se representan con el subíndice (l).

Estado gaseoso

Un gas es un fluido compresible. No solo se ajustará a la forma de su contenedor, sino que también se expandirá para llenar el contenedor. En un gas, las moléculas tienen suficiente energía cinética para que el efecto de las fuerzas intermoleculares sea pequeño (o cero para un gas ideal), y la distancia típica entre las moléculas vecinas es mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma o volumen definidos, pero ocupa todo el contenedor en el que está confinado. Un líquido puede convertirse en un gas calentando a presión constante hasta el punto de ebullición, o bien reduciendo la presión a temperatura constante.

Figura 24.  En general los gases son invisibles, y demostrar su existencia fue una cuestión que involucró a los filósofos griegos.

A temperaturas inferiores a su temperatura crítica, un gas también se denomina vapor y puede licuarse por compresión sola sin enfriamiento. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido (o sólido), en cuyo caso la presión del gas es igual a la presión de vapor del líquido (o sólido). Un fluido supercrítico es un gas cuya temperatura y presión están por encima de la temperatura crítica y la presión crítica, respectivamente. En este estado, la distinción entre líquido y gas desaparece. Un fluido supercrítico tiene las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad confiere propiedades de disolvente en algunos casos, lo que conduce a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se usa para extraer cafeína en la fabricación de café descafeinado. En términos de simbología, los gases se representan con el subíndice (g).

Estado plasma

Como un gas, el plasma no tiene forma o volumen definidos. A diferencia de los gases, los plasmas son eléctricamente conductores, producen campos magnéticos y corrientes eléctricas, y responden fuertemente a las fuerzas electromagnéticas. Los núcleos cargados positivamente nadan en un "mar" de electrones desasociados que se mueven libremente, similar a la forma en que tales cargas existen en el metal conductor, donde este "mar" de electrones permite que la materia en el estado de plasma conduzca la electricidad, la diferencia principal es el estado de alta energía y movilidad de la que carece un metal sólido. Un gas generalmente se convierte en plasma de una de dos formas. p.ej. Ya sea desde una enorme diferencia de voltaje entre dos puntos, o exponiéndolo a temperaturas extremadamente altas.

Figura 25.  El plasma tiene propiedades semejantes a las de los gases a muy baja presión, pero a diferencia de estos, emite radiación en forma de luz.

Al calentar la materia a altas temperaturas hace que los electrones abandonen los átomos, lo que resulta en la presencia de electrones libres. Esto crea un llamado plasma parcialmente ionizado. A temperaturas muy altas, como las presentes en las estrellas, se supone que esencialmente todos los electrones son "libres", y que un plasma de muy alta energía es esencialmente núcleos desnudos nadando en un mar de electrones. Esto forma el llamado plasma completamente ionizado. El estado del plasma a menudo se entiende mal, y aunque no existe libremente en condiciones normales en la Tierra, comúnmente se genera por rayos, chispas eléctricas, luces fluorescentes, luces de neón o en televisores de plasma. También el plasma aparece en algunos tipos de llamas, la corona del Sol y las estrellas son ejemplos de materia iluminada en el estado del plasma.

Cambios de fase

Un estado de la materia también se caracteriza por transiciones de fase. Una transición de fase indica un cambio en la estructura y puede reconocerse por un cambio abrupto en las propiedades. Un estado distinto de la materia se puede definir como cualquier conjunto de estados distinguidos de cualquier otro conjunto de estados por una transición de fase. Algunas propiedades pueden cambiar en un mismo estado general, por lo que los físico-químicos han distinguido sub-fases en una fase general, por ejemplo, el agua tiene varios estados sólidos distintos. La aparición de superconductividad está asociada a una transición de fase, por lo que existen estados superconductores. Del mismo modo, los estados ferromagnéticos están demarcados por transiciones de fase y tienen propiedades distintivas. Cuando el cambio de estado ocurre por etapas, los pasos intermedios se llaman mesofases. Tales fases han sido explotadas por la introducción de la tecnología de cristal líquido.

Figura 26.  Cambios de fase a temperatura constante. En una gráfica de cambio de fase se relaciona la energía con la temperatura. El detalle principal es que en las mesofases aunque aumenta la energía la temperatura es constante dado que la energía se absorbe a los enlaces químicos para destruirlos sin aumentar la temperatura.

El estado o fase de un conjunto dado de materia puede cambiar dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, pasando a otras fases a medida que estas condiciones cambian para favorecer su existencia; por ejemplo, transiciones sólidas a líquido con un aumento de la temperatura.

Es interesante que, durante un cambio de fase por temperatura, la temperatura no aumenta mientras se da el cambio de fase aun cuando el sistema sigue absorbiendo energía, solo hasta que la fase ha cambiado por completo la temperatura sigue aumentando. Esto se explica porque las interacciones entre las partículas deben ser destruidas por la energía por lo que la energía se emplea primero para elevar la temperatura y luego para destruir los enlaces durante el cambio de fase.

Cerca del cero absoluto, una sustancia existe como un sólido. A medida que se agrega calor a esta sustancia se derrite en un líquido en su punto de fusión, hierve en un gas en su punto de ebullición, y si se calienta lo suficiente podría, en el caso de los compuestos, disociarse en sus elementos, y si se calientan más estos elementos pueden entrar en un estado de plasma en el que los electrones están tan energizados que dejan sus átomos originales. Las formas de materia que no están compuestas por moléculas y están organizadas por diferentes fuerzas también pueden considerarse estados diferentes de la materia. Los superfluidos (como el condensado fermiónico) y el plasma de quark-gluón son ejemplos. En una ecuación química, el estado de la materia de los productos químicos se puede mostrar como (s) para sólidos, (l) para líquidos y (g) para gases. Una solución acuosa se denota (aq). La materia en el estado de plasma rara vez se usa (si es que se usa) en ecuaciones químicas, por lo que no existe un símbolo estándar para denotarla. En las ecuaciones raras que el plasma se usa en plasma se simboliza como (p). Existen otros estados de la materia más exóticos, pero para nuestro curso de química general con esto será suficiente por el momento.

No hay comentarios:

Publicar un comentario