ESTADOS DE LA MATERIA
INTRODUCCION
A través de los
sentidos (gusto,
tacto, olfato, visión y oído)
recibimos y percibimos la información de todo
lo que nos rodea. Percibimos objetos de diversas formas,colores,
olores, tamaños y gustos. Todos estos objetos están formados por materia,
ocupando un lugar en el espacio,
En física y química se
denominan Cambios de Estado a la evolución de la
Materia entre varios estados de agregación. Como lo son: los cambios de un
elemento o compuesto químico a estado sólido, liquido o gaseoso.
elemento o compuesto químico
existen determinadas condiciones de presión y temperatura a las
que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace
referencia únicamente a la temperatura de cambio de
estado, que ésta se refiere a la presión de la atmósfera.
De este modo, en "condiciones normales" hay compuestos tanto en
estado sólido como líquido y gaseoso.
Estados de la Materia
ESTADO
SÓLIDO:
A bajas temperaturas, los materiales se
presentan como cuerpos de forma compacta y precisa; y sus átomos a menudo se
entrelazan formando estructuras cristalinas,
lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente.
Los sólidos son calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos
las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. La presencia de
pequeños espacios intermoleculares caracteriza a los sólidos dando paso a la
intervención de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma
geométrica.
Las sustancias en estado sólido
presentan las siguientes características:
·
Forma definida
·
Volumen constante
·
Cohesión (atracción)
·
Vibración
·
Rigidez
·
Incompresibilidad (no pueden
comprimirse)
·
Resistencia a la fragmentación
·
Fluidez muy baja o nula
·
Algunos de ellos se subliman
(yodo)
·
Volumen tenso
ESTADO LÍQUIDO
Si se incrementa la temperatura
el sólido va "descomponiéndose" hasta desaparecer la estructura cristalina,
alcanzando el
estado líquido.
Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del
recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los
átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado
líquido presenta las siguientes características:
·
Cohesión menor
·
Movimiento energía cinética.
·
No poseen forma definida.
·
Toma la forma de la superficie
o el recipiente que lo contiene.
·
Posee fluidez a través de
pequeños orificios.
·
Puede presentar difusión.
·
No tiene forma fija pero si volumen.
La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son
características de los líquidos.
ESTADO
GASEOSO
Incrementando aún más la
temperatura se alcanza el estado gaseoso. Las moléculas del gas se
encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por
todo el espacio en el cual son contenidos.
El estado gaseoso presenta las
siguientes características:
·
Cohesión casi nula.
·
Sin forma definida.
·
Su volumen sólo existe en
recipientes que lo contengan.
·
Pueden comprimirse fácilmente.
·
Ejercen presión sobre las
paredes del recipiente contenedor.
ESTADO DE
PLASMA
En física y química, el concepto de plasma es un estado de la materia donde algunos o todos los
electrones han sido separados de las órbitas externas del átomo. El resultado es una colección de iones
(átomos que al perder electrones adquieren carga positiva) y electrones (de
carga negativa) que no están ligados el uno al otro. Se da a altas
temperaturas, como por ejemplo en el interior de las estrellas. A partir de
cierta temperatura (que depende de la presión y de otros factores), los átomos
ya no pueden conservar sus electrones y éstos se mueven libremente, formando
una especie de «gas» de electrones y núcleos. Sus
propiedades físicas son parecidas a las de un gas muy denso.
El plasma es también llamado gas
ionizado.
El término plasma es normalmente
reservado a un sistema de partículas cargadas, lo
suficientemente grandes para tener un comportamiento colectivo. Un pequeño número de
iones y electrones no es, usualmente, llamado plasma.
Como las nebulosas y las estrellas están
formadas de plasma, es la forma de materia más común del universo visible (más del 99%).
El plasma fue identificado como forma de
materia por Sir William Crookes en 1879, pero la palabra "plasma" fue
aplicada por primera vez al gas ionizado por el Dr. Irving Langmuir.
La primera vez que se consiguió crear
plasma artificialmente fue en un tokamak del CERN en Ginebra (Suiza), en un
experimento destinado a fabricar un reactor defusión nuclear.
El plasma es un gas ionizado, es decir,
los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones o de
todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero
compuesto por electrones y cationes (iones con carga positiva), separados entre
sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol. En la baja Atmósfera terrestre, cualquier átomo que
pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida).Pero
a altas temperaturas es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más
rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las
colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente
violentas para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de
los átomos están permanentemente «ionizados» por estas colisiones y el gas se
comporta como un plasma. A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por
los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, contiene plasma (su componente
principal es vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad,
mediante la línea de fuerza a la que está conectada la
lámpara. La línea, positivo eléctricamente un extremo y negativo, causa que los
iones positivos se aceleren hacia el extremo negativo, y que los electrones
negativos vayan hacia el extremo positivo. Las partículas aceleradas ganan
energía, colisionan con los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen
el plasma, aunque se recombinen partículas. Las colisiones también hacen que
los átomos emitan luz y esta forma de luz es más
eficiente que las lámparas tradicionales. Los letreros de neón y las luces
urbanas funcionan por un principio similar y también se usaron en electrónicas.
CONDENSADO BOSE-EINSTEIN
Esta nueva forma de la materia fue
obtenida el 5 de julio de 1995, por los físicos Eric Cornell, Wolfgan Ketterle
y Carl Wieman, los cuales fueron galardonados en 2001 con el premio nobel de la
física. Los científicos lograron enfriar los átomos a una temperatura 300 veces
más bajo que lo que se había logrado anteriormente. Se le ha llamado "BEC,
Bose - Einstein Condensado" y es tan frío y denso que ellos aseguran que
los átomos pueden quedar inmóviles.Sin embargo todavía no se sabe cuál será el
mejor uso que se le pueda dar a este descubrimiento. Este estado fue predicho
por Einstein y Bose en 1924.
CONDENSADO DE FERMI
Creado en la universidad de Colorado por primera vez en
1999, el primer condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003. El
condensado fermiónico, considerado como el sexto estado de la materia, es una
fase superfluida formada por partículas fermiónicas a temperaturas bajas. Esta
cercanamente relacionado con el condensado de Bose-Einstein. A diferencia de
los condensados de Bose-Einstein, los fermiones condensados se forman
utilizando fermiones en lugar de bosones.
Dicho de otra forma, el condensado de
Fermi es un estado de agregación de la materia en la que la materia adquiere
superfluidez. Se crea a muy bajas temperaturas, extremadamente cerca del cero
absoluto.
Los primeros condensados fermiónicos
describían el estado de los electrones en un
superconductor. El primer condensado fermiónico atómico fue creado por Deborah
S. Jin en 2003. Un condensado quiral es un ejemplo de un condensado fermiónico
que aparece en las teorías de los fermiones sin masa con
rompimientos a la simetría quiral.
Es considerado una falacia para muchos
científicos. La naturaleza del condensado implica que todas
las partículas que lo conforman se encuentran en el mismo estado cuántico, lo
cual es sólo posible si dichas partículas son bosones. Ahora bien, el Principio
de exclusión de Pauli impide que cualquier pareja de Fermiones ocupe el mismo
estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto un condensado fermiónico
no puede existir.
¿Cuál es la diferencia? Los bosones son
sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un
número par de electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los
átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados
Bose-Einstein. Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden
juntarse en el mismo estado cuántico (por el "Principio de Exclusión de
Pauli" de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un
número impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un
fermión.
SUPERSÓLIDO:
Este material es un sólido en el sentido
de que la totalidad de los átomos del helio-4 que lo componen están congelados
en una película cristalina rígida, de forma similar a como lo están los átomos
y las moléculas en un sólido normal como el hielo. La diferencia es que, en
este caso, "congelado" no significa "estacionario".
Como la película de helio-4 es tan fría
(apenas un décimo de grado sobre el cero absoluto), comienzan a imperar
las leyes de incertidumbre cuántica. En
efecto, los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y
fluidos a la vez. De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de
los átomos de helio comienza a moverse a través de la película como una
sustancia conocida como "súper-fluido", un líquido que se mueve sin
ninguna fricción. De ahí su nombre de "súper-sólido".
OTROS ESTADOS DE
MATERIA
Existen otros posibles estados de la
materia; algunos de estos sólo existen bajo condiciones extremas, como en el
interior de estrellas muertas, o en el comienzo del universo después del Big Bang o gran explosión:
·
Superfluido
·
Materia degenerada
·
Materia fuertemente simétrica
·
Materia débilmente simétrica
·
Materia extraña o [Materia de Quarks]
La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado
sólido al estado líquido por la acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se
transfiere energía a los átomos que vibran con más rapidez a medida que gana
energía.
El proceso de fusión es el mismo que el
de fundición, pero este término se aplica generalmente a sustancias como
los metales, que se licuan a altas temperaturas, y
a sólidos cristalinos. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de
fusión, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su
transformación, y no produce variación de su temperatura. Este calor adicional
se conoce como calor de fusión. El término fusión se aplica también al proceso
de calentar una mezcla de sólidos para obtener una disolución líquida simple,
como en el caso de las aleaciones.
Sabemos que los sólidos tienen estructura cristalina, esto es, sus átomos
están colocados de forma regular en determinados puntos, siguiendo las tres
dimensiones del espacio. Estos átomos pueden vibrar en torno a su posición de equilibrio y si su temperatura aumenta, la
amplitud de sus vibraciones crece, ya que la energía que reciben se emplea en
aumentar su velocidad. Puede llegar un momento que los
enlaces que los retenían en sus posiciones se rompan, desaparezca la distribuciónregular o lo
que es lo mismo la estructura cristalina y se inicie el paso al estado líquido,
es decir la fusión.
Punto de fusión: temperatura en la que
el sólido se convierte en líquido; este valor es constante y específico en cada
sustancia, el cambio de sólido a líquido no sólo se da por aplicación de calor
sino que también aumentando o disminuyendo la presión según se requiera.
La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio
de estado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la
temperatura. Es el proceso inverso a la fusión.
En general, los compuestos disminuyen
de volumen al solidificarse, aunque no sucede
en todos los casos; en el caso del agua aumenta.
En metalurgia
En general, los productos metálicos se originan en una
primera etapa en estado liquido, luego del cual se pasa al estado sólido
mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidificación es
determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda
defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en el
procesamiento posterior.
Solidificación de
Metales:
La solidificación de metales y
aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales
se funden para moldearlos hasta una forma acabada o semiacabada. En general, la
solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas:
1. Formación de núcleos estables en el
fundido (nucleación).
2. Crecimiento del núcleo hasta dar
origen a cristales.
3. La formación de granos y estructura
granular.
El aspecto que cada grano adquiere
después de la solidificación del metal depende de varios factores, de entre los
que son importantes los gradientes térmicos. Los granos denominados
equiaxiales, son aquellos en que su crecimiento ha sido igual en todas las
direcciones.
Los dos mecanismos principales por los
que acontece la nucleación de partículas sólidas en un metal liquido son:
nucleación homogénea y nucleación heterogénea.
Nucleación homogénea: se considera en
primer lugar la nucleación homogénea porque es el caso más simple de
nucleación. Esta se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí
mismo los átomos para formar los núcleos.
Nucleación heterogénea: en este caso la
nucleación sucede en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo
contiene, impurezas insolubles, u otros materialesestructurales.
La Vaporización es el cambio de estado de líquido a gaseoso.
Hay dos tipos de vaporización: la
ebullición y la evaporación.
La Ebullición es el cambio de estado que
ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor.
Para que ello ocurra debe aumentar la
temperatura en toda la masa del líquido.
A la temperatura durante la cual se dice
que un determinado líquido hierve se la llama punto de ebullición.
La diferencia entre la evaporación y la
ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en
la superficie del líquido. También se encuentra en que en una se necesita mayor
cantidad de calor para que suceda la reacción, y aparte una es un proceso
químico y otra físico.
Cuando se realiza una destilación, para separar dos o más líquidos de
diferente punto de ebullición, la temperatura permanece constante en el punto
de ebullición de cada uno de los líquidos que se desea separar de la mezcla.
Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se
encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la
vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera
directa, el proceso es llamado sublimación inversa.
Aunque el paso de gas a líquido depende,
entre otros factores, de la presión y de la temperatura, generalmente se llama
condensación al tránsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental.
Cuando se usa una sobrepresión elevada para forzar esta transición, el proceso
se denomina licuefacción.
El proceso de condensación suele tener
lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de rocío, sin embargo este punto
también puede ser alcanzado variando la presión. El equipo industrial o
de laboratorio necesario para realizar este
proceso de manera artificial se llama condensador.
La condensación es esencial para el
proceso de destilación, un proceso muy importante tanto para el trabajo en el laboratorio como para
aplicaciones industriales.
La sublimación (del latín sublimare) o volatilización es el proceso que consiste en el
cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado
líquido. Se puede llamar de la misma forma al proceso inverso; es decir, el
paso directo del estado gaseoso al estado sólido, pero es más apropiado
referirse a esa transición como sublimación
inversa o cristalización; ocurre en las geoditas. Un ejemplo
clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.
Los sólidos tienen presiones de vapor
características, que oscilan con la temperatura como sucede con líquidos.
Acrecentando la temperatura, aumenta también la presión de vapor del sólido. El
suceso de la estabilización de un sólido con vapor saturado, que varía su
presión con la temperatura, a esa inflexión se llama curvatura de sublimación.
Se determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido-vapor,
sin la intervención líquida. Por ejemplo, la purificación del yodo, azufre,
naftaleno o ácido benzoico resultan muy viable por sublimación, debido a que
las presiones de vapor de estos sólidos tienen valores bastante elevados.
Los olores característicos de muchas
sustancias sólidas, como las nombradas, son debidos a que estas sustancias
tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente. Otro ejemplo es
el más común para ilustrar sublimación es a través de hielo seco, que es el
nombre común que se le da al CO2 congelado. Cuando el hielo seco se expone al
aire, éste se comienza a sublimar, o a convertirse en vapor. Esto le pasa al
hielo seco porque a temperatura ambiente el gas congelado prefiere ser gas y no
sólido congelado.
SUBLIMACION REGRESIVA
O INVERSA
Es el proceso inverso a la sublimación
progresiva, es decir, el paso directo de gas a sólido. Por ejemplo, cuando se
producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un
objeto que está muy frío; entonces, los vapores se transformarán nuevamente en
cristales de yodo. Históricamente la palabra sublimado se refirió a las
sustancias formadas por deposición a partir de «vapores» (gases), como el
«sublimado corrosivo», cloruro mercúrico, formado por alteración de los
calomelanos cristalizado obtenido durante las operaciones alquímicas.
Cualquier sustancia pura puede
sublimarse, esto debido a condiciones de presiones superiores y temperaturas
inferiores a la que se produce dicha transición. En la naturaleza la
sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarcha.
Las partículas partiendo de las cuales se produce la acreción o acrecimiento
planetario, se forman por sublimación inversa a partir de compuestos en estado
gaseoso originados en supernovas.
Este proceso también es conocido como
deposición.
Un gas se transforma en plasma cuando la
energía cinética de las partículas del gas se eleva hasta igualar la energía de
ionización del gas. Cuando alcanza este nivel, las colisiones de las partículas
del gas provocan una rápida ionización en cascada, y el gas se transforma en plasma.
Si se aporta la suficiente energía aplicando calor, la temperatura crítica se situará entre 50.000 y 100.000
K, elevándose a cientos de millones de grados, la temperatura requerida para
mantener el plasma. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer
pasar electrones de alta energía a través del gas.
La ionización es el proceso químico o físico mediante el cual se
producen iones, éstos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al
exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutro. A la
especie química con más electrones que el átomo o molécula neutros se le llama
anión, y posee una carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones
catión, teniendo una carga neta positiva. Hay varias maneras por las que se
pueden formar iones de átomos o moléculas.
Se le denomina al proceso mediante el
cual el plasma pasa de estado de Plasma o gas ionizado a estar en estado
gaseoso.
Existen varios estados en los que se
presenta la materia, cinco de los cuales son estos: Sólido, Liquido, Gaseoso,
Plasma y Bosé-Einstein. Los tres primeros estados son los mas comunes y
estudiados dentro de la tierra, aunque es el estado de plasma el mas
común en el universo, ya que de este se componen las
estrellas, por ejemplo, el quinto estado conocido como Bose-Einstein, es un
estado de agregación nuevo en los registros de la ciencia, pero es tan frío y denso, que se logra
cuando un elemento es enfriado a varios puntos bajo lo logrado habitualmente,
consiguiendo incluso inmovilizar los átomos, según dicen los científicos.
También existen otro estados observables bajo condiciones extremas de presion y
temperatura como: Condensado de Fermi, el estado de súpersólido, Superfluido,
Materia degenerada, Materia fuertemente simétrica, Materia débilmente simétrica
y la Materia extraña o [Materia de Quarks]
·
La fusión es el
cambio de estado de sólido a líquido.
·
Por el contrario la solidificación o congelación es el cambio inverso, de líquido a sólido.
·
La vaporización es
el cambio de estado de líquido a gas.
·
Contrariamente la licuación o condensación es el cambio
inverso, de gas a líquido.
·
La sublimación es
el cambio de estado de sólido a gas.
·
El cambio inverso recibe el nombre de sublimación regresiva o cristalización.
·
La ionización es
el cambio de estado de un gas a plasma.
·
En caso contrario, se le llama deionización.
ESTADOS DE LA MATERIA .
