Estado de agregación de la materia
Este diagrama muestra la nomenclatura para las diferentes transiciones de fase su reversibilidad reversibilidad y y relación con la variación de la entalpía.. entalpía En física física y y química química se se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura temperatura o o presión,, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados presión estados de agregación de la materia, materia, en relación con las fuerzas de unión de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen. odos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes! los más conocidos y observables cotidianamente cotidianamente son son cuatro, llamados fases sólida sólida,, líquida líquida,, gaseosa gaseosa y y plasmática plasmática.. ambién ambién son posibles otros estados que no se producen de forma natural en nuestro entorno, por e"emplo# condensado de $ose%Einstein, $ose%Einstein, condensado fermiónico y fermiónico y estrellas de neutrones. &e cree que también son posibles otros, como el plasma de quar'%gluón Estado sólido os ob"etos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida! sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrecas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. &on calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. En los sólidos cristalinos, cristalinos, la presencia de
espacios intermoleculares peque*os da paso a la intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada. as sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes características# •
•
•
+oesión elevada! ienen una forma definida y memoria de forma, presentando fuerzas elásticas restitutivas si se deforman fuera de su configuración original! efectos prácticos son incompresibles,
•
-esistencia a la fragmentación!
•
luidez muy ba"a o nula!
•
lgunos de ellos se subliman.
En los sólidos, las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fi"as en su lugar! solo vibran unas al lado de otras. • •
Propiedades: % ienen forma y volumen constantes. % &e caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. % /o se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos. % &e dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y se contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían.
Estado líquido &i se incrementa la temperatura, el sólido va perdiendo forma asta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido.
+aracterística principal# la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, a0n e1iste cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque muco menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características# •
+oesión menor.
•
2ovimiento energía cinética.
•
&on fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma por lo que toman la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
•
En el frío se contrae (e1ceptuando el agua).
•
3osee fluidez a través de peque*os orificios.
•
3uede presentar difusión.
•
&on poco compresibles. Los líquidos# las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y cocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras.
• •
Propiedades:
• • •
• •
% /o tienen forma fi"a pero sí volumen. % a variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos. % os líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. % Fluyen o se escurren con muca facilidad si no están contenidos en un recipiente! por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos. % &e dilatan y contraen como los sólidos.
Estado gaseoso &e denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. &u principal composición son moléculas no unidas, e1pandidas y con poca fuerza de atracción, aciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se e1panda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes. Es considerado en algunos diccionarios como sinónimo de vapor, aunque no ay que confundir sus conceptos, ya que el término de vapor se refiere estrictamente para aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante. os gases se e1panden libremente asta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es muco menor que la de los líquidos y sólidos. 4ependiendo de sus contenidos de energía o de las fuerzas que act0an, la materia puede estar en un estado o en otro diferente# se a ablado durante la istoria, de un gas ideal o de un sólido cristalino perfecto, pero ambos son modelos límites ideales y, por tanto, no tienen e1istencia real. En los gases reales no e1iste un desorden total y absoluto, aunque sí un desorden más o menos grande. En un gas, las moléculas están en estado de caos y muestran poca respuesta a la gravedad. &e mueven tan rápidamente que se liberan unas de otras. 5cupan entonces un volumen muco mayor que en los otros estados porque de"an espacios libres intermedios y están enormemente separadas unas de otras. 3or eso es tan fácil comprimir un gas, lo que significa, en este caso, disminuir la distancia entre moléculas. El gas carece de forma y de volumen, porque se comprende que donde tenga espacio libre allí irán sus moléculas errantes y el gas se e1pandirá asta llenar por completo cualquier recipiente. El estado gaseoso presenta las siguientes características#
•
+oesión casi nula.
•
/o tienen forma definida.
•
&u volumen es variable.
Los gases# En los gases, las fuerzas de atracción son casi ine1istentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias. Propiedades: % /o tienen forma ni volumen fi"os. % En ellos es muy característica la gran variación de volumen que e1perimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión. % El gas adopta el tama*o y la forma del lugar que ocupa. % 5cupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene. % &e pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen. % &e difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas. % &e dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.
Estado plasmático El plasma es un gas ionizado, es decir que los átomos que lo componen se an separado de algunos de sus electrones. 4e esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por aniones y cationes (iones con carga negativa y positiva, respectivamente), separados entre sí y libres, por eso es un e1celente conductor. 6n e"emplo muy claro es el &ol. En la ba"a tmósfera terrestre, cualquier átomo que pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) se dice que está ionizado. 3ero a altas temperaturas es muy diferente. +uanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y
átomos, (ley de los gases ideales) 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 7ionizados8 por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma. diferencia de los gases fríos (por e"emplo, el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos. a 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. a línea, positivo eléctricamente un e1tremo y negativo, causa que los iones positivos se aceleren acia el e1tremo negativo, y que los electrones negativos vayan acia el e1tremo positivo. as partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, e1pulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se recombinen partículas. as colisiones también acen que los átomos emitan luz y esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales. os letreros de neón y las luces urbanas funcionan por un principio similar y también se usaron en electrónicas. Plasma: E1iste un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman ba"o temperaturas y presiones e1tremadamente altas, aciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del n0cleo y de"ando sólo átomos dispersos. El plasma, es así, una mezcla de n0cleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad. 6n e"emplo de plasma presente en nuestro universo es el sol. 5tros e"emplos# Plasmas terrestres:
% os rayos durante una tormenta. % El fuego. % El magma. % a lava. % a ionosfera. % a aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofísicos: % as estrellas (por e"emplo, el &ol). % os vientos solares. % El medio interplanetario (la materia entre los planetas del &istema &olar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las gala1ias). % os discos de acrecimiento. % as nebulosas intergalácticas. % mbiplasma
Otros posibles estados de la materia E1isten otros posibles estados de la materia! algunos de estos sólo e1isten ba"o condiciones e1tremas, como en el interior de estrellas muertas, o en el comienzo del universo después del $ig $ang o gran e1plosión# •
&uperfluido
•
2ateria degenerada
•
2ateria fuertemente simétrica
•
2ateria débilmente simétrica
•
2ateria e1tra*a o materia de quar's
•
&uperfluido polaritón
•
2ateria fotónica
Cambios de estado rtículo principal# Cambio
de estado
4iagrama de los cambios de estado entre los estados sólido, líquido y gaseoso. 3ara cada elemento o compuesto químico e1isten determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se ace referencia 0nicamente a la temperatura de cambio de estado, que ésta se refiere a la presión de la atm. (la presión atmosférica). 4e este modo, en 9condiciones normales9 (presión atmosférica, : ;+) ay compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso (&, y <). os procesos en los que una sustancia cambia de estado son# la sublimación (&%<), la vaporización (%<), la condensación (<%), la solidificación (%&), la fusión (&%), y la sublimación inversa (<%&). Es importante aclarar que estos cambios de estado tienen varios nombres. usión a 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 .
+uando 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. +uando 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. &abemos 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. 3uede llegar un momento que los enlaces que los retenían en sus posiciones se rompan, desaparezca la distribución regular o lo que es lo mismo la estructura cristalina y se inicie el paso al estado líquido, es decir la fusión. 3unto 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 seg0n se requiera. &olidificación a 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. &olidificación de 2etales# a solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales se funden para moldearlos asta una forma acabada o semiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas# =. ormación de n0cleos estables en el fundido (nucleación). >. +recimiento del n0cleo asta dar origen a cristales. ?. a 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. os granos denominados equia1iales, son aquellos en que su crecimiento a sido igual en todas las direcciones. os dos mecanismos principales por los que acontece la nucleación de partículas sólidas en un metal liquido son# nucleación omogénea y nucleación eterogénea. /ucleación omogénea# se considera en primer lugar la nucleación omogénea 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 n0cleos. /ucleación eterogénea# en este caso la nucleación sucede en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales. @aporización a Vaporiación es el cambio de estado de líquido a gaseoso. Aay dos tipos de vaporización# la ebullición y la evaporación.
a Ebullición es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. 3ara que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. la temperatura durante la cual se dice que un determinado líquido ierve se la llama punto de ebullición. a diferencia entre la evaporación y la ebullición, es que en la evaporación, el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido. ambién 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. +uando 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. +ondensación &e 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. &i se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. unque 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. +uando 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 asta 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. a condensación es esencial para el proceso de destilación, un proceso muy importante tanto para el traba"o en el laboratorio como para aplicaciones industriales.
&ublimación a 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. &e 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 in!ersa o cristalización! ocurre en las geoditas. 6n e"emplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el ielo seco. os sólidos tienen presiones de vapor características, que oscilan con la temperatura como sucede con líquidos. crecentando 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 infle1ión se llama curvatura de sublimación. &e determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido%vapor, sin la intervención líquida. 3or e"emplo, 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. os olores característicos de mucas sustancias sólidas, como las nombradas, son debidos a que estas sustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente. 5tro e"emplo es el más com0n para ilustrar sublimación es a través de ielo seco, que es el nombre com0n que se le da al +5> congelado. +uando el ielo seco se e1pone al aire, éste se comienza a sublimar, o a convertirse en vapor. Esto le pasa al ielo seco porque a temperatura ambiente el gas congelado prefiere ser gas y no sólido congelado. &6$B2+B5/ -E<-E&B@ 5 B/@E-& Es el proceso inverso a la sublimación progresiva, es decir, el paso directo de gas a sólido. 3or e"emplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un ob"eto que está muy frío! entonces, los vapores se transformarán nuevamente en cristales de yodo. Aistóricamente la palabra sublimado se refirió a las sustancias formadas por deposición a partir de 7vapores8 (gases), como el 7sublimado corrosivo8, cloruro merc0rico, formado por alteración de los calomelanos cristalizado obtenido durante las operaciones alquímicas.
+ualquier sustancia pura puede sublimarse, esto debido a condiciones de presiones superiores y temperaturas inferiores a la que se produce dica transición. En la naturaleza la sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarca. as 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.
