[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 2‑1. 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 2‑2. 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 2‑3. 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 2‑4. 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 2‑5. 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 2‑6. 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.
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