Tradicionalmente se piensa que la materia solo se puede encontrar en tres estados: sólido, líquido y gas. Sin embargo, esto no es cierto. Se ha visto otros estados de agregación de la materia que, si bien son raros, también parecen existir.
A continuación veremos las características principales de cada uno de estos estados, quienes descubrieron los más recientes y cuales son los procesos que hacen que un objeto pase de un estado a otro.
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Estados de agregación de la materia: ¿qué son?
En física, se entiende por estado de agregación de la materia a una de las formas características en las que la materia se puede presentar. Históricamente, la distinción entre los estados de materia se hacía en base a propiedades cualitativas, como eran la solidez del objeto, el comportamiento de sus átomos o su temperatura, siendo la clasificación tradicional la de líquido, sólido y gas.
No obstante, gracias a la investigación en física, se han descubierto y planteado otros estados que pueden producirse en situaciones que, de normal, no son posibles replicar, como extremadamente altas o bajas temperaturas.
A continuación veremos los principales estados de la materia, tanto los que conforman la clasificación tradicional como los que se han descubierto en condiciones de laboratorio, además de explicar sus propiedades físicas y cómo es posible obtenerlos.
Estados fundamentales
Tradicionalmente, se ha hablado de tres estados de la materia, en función de cómo se comportan sus átomos a diferentes temperaturas. Estos estados son, básicamente, tres: sólido, líquido y gas. Sin embargo, posteriormente se incorporó al plasma entre estos estados fundamentales. Lo más destacable de los siguientes cuatro estados es que es posible observarlos en situaciones cotidianas, estando en casa.
Para comprender los cuatro estados de agregación de la materia fundamentales de la materia, en cada apartado vamos a ver cómo se presenta el H2O, es decir, el agua, en cada uno de estos estados.
1. Sólido
Los objetos en estado sólido se presentan de forma definida, es decir, normalmente su forma no cambia, no es posible alterarla sin aplicar una gran fuerza o cambiar el estado del objeto en cuestión.
Los átomos de estos objetos se entrelazan formando estructuras definidas, lo cual les da la capacidad de poder soportar fuerzas sin deformar el cuerpo en el que se encuentran. Esto hace que estos objetos sean duros y resistentes.
El H2O en estado sólido es el hielo.
Los objetos que se encuentran en estado sólido suelen reunir las siguientes características:
- Cohesión elevada.
- Forma definida.
- Memoria de forma: dependiendo del objeto, vuelve a ser como era al deformarse.
- Son prácticamente incompresibles.
- Resistencia a la fragmentación
- Nula fluidez.
2. Líquido
Si se incrementa la temperatura de un sólido, es probable que este acabe perdiendo su forma hasta desaparecer por completo su estructura atómica bien organizada, pasando a ser un líquido.
Los líquidos tienen la capacidad de fluir porque sus átomos, aunque siguen formando moléculas organizadas, no están tan unidas las unas con las otras, habiendo más libertad de movimiento.
El H2O en estado líquido es el agua normal y corriente.
En estado líquido, las sustancias presentan las siguientes características:
- Menor cohesión.
- No poseen forma concreta.
- Fluidez.
- Poco compresibles
- Ante el frío se contraen.
- Pueden presentar difusión.
3. Gas
En el estado gaseoso la materia se compone de moléculas que no están unidas, teniendo entre sí poca fuerza de atracción, lo que hace que los gases no tengan un forma ni volumen definidos.
Gracias a ello se expanden de forma totalmente libre, llenando el recipiente que los contiene. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos.
El estado gaseoso del H2O es el vapor de agua.
El estado gaseoso presenta las siguientes características:
- Casi nula cohesión.
- Sin forma definida.
- Volumen variable.
- Tienden a ocupar el máximo espacio posible.
4. Plasma
Muchas personas no conocen este estado de la materia, lo cual resulta curioso, dado que es el estado más común del universo, pues es de lo que están hechas las estrellas.
En esencia, el plasma es un gas ionizado, es decir, los átomos que lo componen se han separado de sus electrones, que son partículas subatómicas que normalmente se encuentran en el interior de los átomos.
Así pues, el plasma es como si fuera un gas, pero compuesto por aniones y cationes, que son iones con carga negativa y positiva, respectivamente. Esto hace del plasma un excelente conductor.
En los gases, al estar a altas temperaturas, los átomos se mueven muy rápido. Si estos átomos chocan los unos contra los otros muy violentamente hace que los electrones de su interior se liberen. Teniendo en cuenta esto, es comprensible que los gases que se encuentran en la superficie del Sol estén constantemente ionizados, porque hay mucha temperatura, haciendo que se vuelvan plasma.
Las lámparas fluorescentes, una vez encendidas, contienen plasma en su interior. También, el fuego de una vela sería plasma.
Características de los plasmas:
- Conducen la electricidad.
- Son fuertemente influidos por los campos magnéticos.
- Sus átomos no conforman una estructura definida.
- Emiten luz.
- Están a altas temperaturas.
Nuevos estados
No existen únicamente los cuatro estados ya mencionados. En condiciones de laboratorio se han planteado y descubierto otros muchos más. A continuación veremos varios estados de agregación de la materia que difícilmente se podrían observar estando en casa, pero que han podido ser creados deliberadamente en instalaciones científicas, o han sido hipotetizados.
5. Condensado de Bose-Einstein
Originalmente predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en 1927, el condensado de Bose-Einstein fue descubierto en 1995 por los físicos Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman.
Estos investigadores consiguieron enfriar átomos a una temperatura 300 veces más baja de lo que se había logrado hasta la fecha. Este condensado se compone de bosones.
En este estado de la materia los átomos se encuentran totalmente quietos. La sustancia es muy fría y presenta alta densidad.
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6. Condensado de Fermi
El condensado de Fermi está compuesto por partículas fermiónicas y se parece al condensado de Bose-Einstein, solo que en vez de usar bosones se usan fermiones.
Este estado de la materia fue creado por primera vez en 1999, aunque no sería hasta el 2003 que se lograría replicarlo con átomos en vez de solo fermiones, descubrimiento realizado por Deborah S. Jin.
Este estado de agregación de la materia, que se encuentra a bajas temperaturas, hace que la materia adquiera superfluidez, es decir, que la sustancia no tenga viscosidad alguna.
7. Supersólido
Este estado de la materia es particularmente extraño. Consiste en llevar átomos de helio-(4) a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto.
Los átomos se organizan de forma similar a como cabría esperar en un sólido normal, como es el hielo, solo que aquí, pese a que estarían congelados, no se encontrarían en un estado totalmente quietos.
Los átomos empiezan a comportarse de forma extraña, como si fueran un sólido y fluido a la vez. Es cuando comienzan a imperar las leyes de la incertidumbre cuántica.
8. Supercristal
Un supercristal es una fase de la materia que se caracteriza por tener superfluidez y, a la vez, una estructura amorfa solidificada.
A diferencia de los cristales normales, que son sólidos, los supercristales tienen la capacidad de fluir sin ningún tipo de resistencia y sin romper la estructura propiamente cristalina en la que se organizan sus átomos.
Estos cristales se forman por la interacción de partículas cuánticas a bajas temperaturas y altas densidades.
9. Superfluido
El superfluido es un estado de la materia en el que la sustancia no presenta ningún tipo de viscosidad. Esto se diferencia de lo que sería una sustancia muy fluida, que sería aquella que tiene una viscosidad cercana a cero, pero que igualmente tiene viscosidad.
El superfluido es una sustancia que, si se encontrara en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción. Fue descubierta en 1937 por Piotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener.
Cambios de estado
Los cambios de estado son procesos en los que un estado de agregación de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición química. A continuación veremos las diferentes transformaciones que puede presentar la materia.
1. Fusión
Es el paso de un sólido al estado líquido por medio del calor. Se entiende por punto de fusión la temperatura a la cual un sólido debe ser expuesto para que se funda, y es algo que varía de sustancia en sustancia. Por ejemplo, el punto de fusión del hielo al agua es de 0 grados centígrados.
2. Solidificación
Es el paso de un líquido a sólido por medio de la pérdida de temperatura. El punto de solidificación, también llamado de congelación, es la temperatura a la que un líquido pasa a ser un sólido. Coincide con el punto de fusión de cada sustancia.
3. Evaporación y ebullición
Son los procesos por los que un líquido pasa a un estado gaseoso. En el caso del agua, su punto de ebullición son los 100 grados centígrados.
4. Condensación
Es el cambio de estado de la materia que se pasa de un gas a un líquido. Se puede entender como el proceso contrario al de la evaporación.
Es lo que le sucede al vapor de agua cuando llueve, dado que baja su temperatura y el gas pasa al estado líquido, precipitando.
5. Sublimación
Es el proceso que consiste en el cambio de estado de una materia que se encuentra en estado sólido pasando a estado gaseoso, sin pasar por el estado líquido por el camino.
Un ejemplo de sustancia que es capaz de sublimarse es el hielo seco.
6. Sublimación inversa
Consiste en que un gas pase al estado sólido sin transformarse previamente en un líquido.
7. Desionización
Es el cambio de un plasma a gas.
8. Ionización
Es el cambio de un gas a un plasma.
