Cada uno de ellos se define por
la cantidad de energía térmica que poseen sus partículas y por cómo
interactúan estas partículas entre sí:
1. Sólido
En este estado, las partículas están fuertemente unidas por fuerzas de
atracción y se encuentran muy juntas en posiciones fijas, limitándose a vibrar
en su lugar.
• Forma: Definida y fija.
• Volumen: Definido y constante; no se pueden comprimir fácilmente.
2. Líquido
Las partículas tienen más energía que en los sólidos, lo que rompe sus
posiciones fijas. Siguen estando cerca unas de otras debido a fuerzas
atractivas moderadas, pero tienen la libertad de fluir y deslizarse entre
sí.
• Forma: Indefinida; se adapta a la forma del recipiente que lo contiene.
• Volumen: Definido y constante; mantiene su espacio sin importar el contenedor.
• Ejemplos: El agua, el aceite, la sangre.
3. Gaseoso
Las partículas poseen una alta energía térmica, lo que les permite vencer casi
por completo las fuerzas de atracción mutua. Se mueven a gran velocidad en
todas direcciones y están muy separadas unas de otras.
• Forma: Indefinida; se expande para llenar cualquier espacio disponible.
• Volumen: Indefinido; se puede comprimir o expandir fácilmente cambiando la presión o
la temperatura.
• Ejemplos: El vapor de agua, el oxígeno, el helio de un globo.
4. Plasma
Es un gas ionizado que se forma a temperaturas extremadamente altas (como en
las estrellas o reactores de fusión). La energía es tan brutal que los
electrones se desprenden de los núcleos atómicos, creando una "sopa" cargada
eléctricamente de iones positivos y electrones libres.
• Forma y volumen:
Indefinidos (similares a los de un gas).
• Propiedad clave:
A diferencia de los gases, el plasma conduce la electricidad de forma
excelente y reacciona fuertemente a los campos magnéticos.
• Ejemplos: El Sol,
los relámpagos, las luces de neón.
LAS TRANSICIONES DE UN ESTADO A OTRO
Las transiciones o cambios de fase entre los cuatro estados de la materia
reciben nombres específicos según la dirección en la que se mueva la energía
térmica (añadiendo o quitando calor):
Cambios por aumento de calor (Endotérmicos)
Ocurren cuando se suministra energía térmica a las partículas, permitiéndoles
separarse más:
• Fusión:
Paso de sólido a líquido. (Ejemplo: El hielo derritiéndose).
• Vaporización (o Evaporación): Paso de líquido a gas. (Ejemplo: El agua hirviendo).
• Ionización:
Paso de gas a plasma. Ocurre cuando
el gas se calienta tanto que los átomos pierden sus electrones.
(Ejemplo: La formación de un rayo).
• Sublimación:
Paso directo de sólido a gas, sin pasar por el estado líquido.
(Ejemplo: El hielo seco (Dióxido de carbono sólido) a temperatura ambiente).
Cambios por pérdida de calor (Exotérmicos)
Ocurren cuando se enfría la materia, haciendo que las partículas pierdan
energía y se agrupen de nuevo:
• Desionización (o
Recombinación): Paso de plasma a gas. Los electrones vuelven a unirse a los núcleos atómicos al enfriarse.
(Ejemplo: Una luz de neón al apagarse).
• Condensación: Paso de gas a
líquido. (Ejemplo: Las gotas de agua que se forman en el espejo del baño
después de una ducha caliente).
• Solidificación: Paso de líquido a sólido. (Ejemplo: El agua congelándose para formar hielo).
• Sublimación inversa (o
Deposición):
Paso directo de gas a sólido, sin pasar por el estado líquido. (Ejemplo: La formación de la escarcha en el parabrisas de un coche
en invierno).
DISTRIBUCIÓN DE LOS ÁTOMOS O PARTÍCULAS SEGÚN EL ESTADO DE LA MATERIA:
SÓLIDO, LÍQUIDO, GASEOSO O PLASMA
La diferencia entre los estados de la materia —sólido, líquido, gaseoso y plasma— puede entenderse observando principalmente
cómo están distribuidas y cómo se mueven sus partículas (átomos, moléculas
o iones). La
distribución y el movimiento de los átomos o moléculas cambia según el
estado de la materia.
La diferencia fundamental está
en qué tan juntos están y qué tan libres son para moverse.
Sólido: partículas muy juntas y ordenadas
En un sólido, los átomos o moléculas están
muy próximos unos de otros y ocupan posiciones relativamente fijas.
Podemos imaginarlo como un grupo de personas muy juntas, cada una en su
lugar, que puede moverse un poco pero no cambiar libremente de posición.
Ejemplo: en un cubo de hielo, las moléculas de agua permanecen
unidas en una estructura relativamente ordenada.
Los átomos o moléculas están muy juntos y ordenados.
• Ocupan posiciones relativamente fijas.
• Son
difíciles de comprimir.
• No se
desplazan libremente de un lugar a otro.
• No están completamente inmóviles: Vibran alrededor de sus posiciones.
• Tienen forma y volumen definidos.
• Las
fuerzas que los mantienen unidos son relativamente fuertes.
Imagen mental: personas sentadas en sus asientos, pero moviéndose
ligeramente.
Líquido: partículas juntas, pero desordenadas y móviles
En un líquido, las partículas siguen estando bastante próximas, pero ya
no permanecen fijas en posiciones determinadas.
Imaginemos ahora a las mismas personas en una habitación:
siguen estando relativamente juntas, pero pueden desplazarse y cambiar de
posición.
Ejemplo: en el agua líquida, las moléculas están próximas, pero
se mueven continuamente y cambian de vecinos.
Las partículas siguen estando bastante próximas, pero tienen mucha más
libertad.
• No
están fijas en posiciones determinadas.
• Se
deslizan unas sobre otras.
• Son
poco compresibles
• Mantienen un volumen definido.
• No
tienen forma propia: adoptan la del recipiente.
• Las
fuerzas de atracción siguen siendo importantes, pero permiten el movimiento.
Imagen mental: personas caminando dentro de una multitud.
Gas: partículas muy separadas y con gran libertad de movimiento
En un gas, las
partículas están mucho más separadas unas de otras y las fuerzas de
atracción entre ellas son relativamente pequeñas.
Se mueven rápidamente en todas direcciones y chocan entre sí y contra las
paredes del recipiente.
Las partículas están muy separadas entre sí.
• Se
mueven libremente y rápidamente.
• Chocan entre ellas y contra las paredes del recipiente.
• Las
fuerzas de atracción entre partículas son generalmente mucho menores que en
sólidos y líquidos.
• No
tienen ni forma ni volumen definidos.
• Ocupan todo el espacio disponible.
• Pueden comprimirse fácilmente.
Ejemplo: las moléculas del aire están
separadas por distancias enormes comparadas con su tamaño.
Imagen mental: personas muy separadas corriendo libremente por un campo
enorme.
Plasma: partículas cargadas y extremadamente energéticas
El plasma es diferente porque, además de estar las partículas muy separadas y
moviéndose rápidamente, una parte importante de los átomos ha perdido
electrones.
Tenemos entonces: iones positivos + electrones libres.
El plasma es, por tanto, un gas ionizado.
Esta ionización le da propiedades que no encontramos normalmente en un gas
neutro:
el plasma conduce electricidad y responde fuertemente a campos eléctricos y
magnéticos.
El plasma es, en cierto sentido, un gas cuyos átomos han adquirido tanta
energía que algunos electrones se separan de ellos.
Por eso ya no tenemos solamente átomos neutros:
átomos → iones positivos + electrones libres
Las partículas están muy separadas y se mueven con gran energía.
Además:
• conduce electricidad;
• responde fuertemente a campos eléctricos y magnéticos;
• contiene partículas cargadas;
• puede
producir luz.
Encontramos plasma en:
• el
Sol y las estrellas;
• los
relámpagos;
• las
auroras;
• ciertas lámparas de neón;
• algunos dispositivos tecnológicos.
Imagen mental: un
gas extremadamente energético en el que los electrones se han liberado de
muchos átomos.
La diferencia fundamental
Podemos resumirlo con dos variables:
distancia entre partículas + energía/movilidad de las partículas
Lo que quiere decir: lo que cambia de un estado a otro es principalmente la
energía de las partículas, su separación y la libertad con que pueden moverse:
En un sólido, las
partículas están juntas y prácticamente confinadas a sus posiciones.
En un líquido, están
juntas pero pueden desplazarse.
En un gas, están
muy separadas y se mueven libremente.
En un plasma, están
muy energizadas y una parte de los átomos está ionizada, de modo que
existen partículas eléctricamente cargadas moviéndose libremente.
Podemos visualizar la progresión así:
SÓLIDO
partículas juntas → movimiento limitado
↓ más energía, y se convierte en
LÍQUIDO
partículas juntas → movimiento libre
↓ más energía, y se convierte en
GAS
partículas separadas → movimiento muy libre
↓ mucha más energía y presión, y se convierte en
PLASMA
partículas muy energéticas → átomos ionizados + electrones libres
Una precisión interesante
Es importante recordar: no son cuatro tipos diferentes de átomos. Los
mismos elementos pueden encontrarse en distintos estados dependiendo de
condiciones como temperatura y presión. No debemos imaginar que las partículas
de un sólido están «quietas» y que las de un líquido o gas son las únicas que
se mueven. Todas las partículas tienen movimiento. Lo que cambia es la
intensidad del movimiento y, sobre todo, la libertad que tienen para cambiar
de posición.
Por eso, cuando calentamos hielo:
sólido → líquido → gas → plasma
estamos, en términos generales, aportando energía al sistema, aumentando el
movimiento de las partículas y, en condiciones suficientemente extremas,
arrancando electrones de los átomos.
La materia, en cierto sentido, pasa de estar organizada y restringida a
moverse cada vez con mayor libertad.
Y aquí aparece una idea fundamental de la física:
Cuando calentamos una sustancia, no estamos necesariamente cambiando qué
partículas la constituyen; estamos cambiando principalmente la energía y el
movimiento de esas partículas.
Es decir, el hielo, el agua y el vapor están constituidos por H₂O. Lo que
cambia radicalmente es cómo se organizan y cómo se mueven sus moléculas.
La distribución y el movimiento de los átomos o moléculas cambia según el
estado de la materia. La diferencia fundamental está en qué tan juntos están y
qué tan libres son para moverse.
¿CÓMO ES POSIBLE CONVERTIR AGUA EN PLASMA?
El agua puede convertirse en plasma, pero no simplemente calentándola como
cuando pasa de hielo a líquido y luego a vapor.
La secuencia sería, aproximadamente:
hielo → agua líquida → vapor → gas muy caliente → plasma
¿Qué ocurre?
Una molécula de agua, H₂O, está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno. Si seguimos aportándole energía:
1. Hielo: las moléculas están
relativamente ordenadas y vibran.
2. Agua líquida: las moléculas
se mueven unas respecto a otras.
3. Vapor: las moléculas están
separadas y se desplazan libremente.
4. Temperaturas extremadamente
altas: las moléculas empiezan a romperse en átomos.
5. Aún más energía: algunos
electrones son arrancados de los átomos.
En ese momento tenemos una mezcla de:
iones positivos + electrones libres + partículas neutras
Eso es plasma.
¿A qué temperatura?
No existe una única temperatura exacta, porque depende de la presión y de
cuánto se haya ionizado el gas. Pero para producir una ionización importante,
estamos hablando generalmente de miles a decenas de miles de grados.
De hecho, un rayo puede crear un canal de plasma en el aire con temperaturas
del orden de decenas de miles de grados.
Algo sorprendente
Cuando el agua se convierte en plasma, ya no tenemos realmente moléculas de
H₂O intactas. Con suficiente energía, primero se rompen los enlaces:
H₂O → H + H + O
y después puede ocurrir:
H → H⁺ + e⁻
O → O⁺ + e⁻
Por eso es más preciso decir:
El agua puede convertirse en un plasma derivado del agua, pero el plasma ya
no está compuesto principalmente por moléculas de H₂O.
¿Se puede hacer en la práctica?
Se pueden producir plasmas a partir de vapor de agua mediante
descargas eléctricas, arcos eléctricos, microondas o láseres. No hace
falta calentar una cantidad de agua líquida hasta esas temperaturas en un
recipiente convencional; existen técnicas que suministran la energía
directamente al gas.
Y hay una conexión muy interesante:
el plasma no es simplemente «gas más caliente». La característica
esencial es que una parte significativa de las partículas está ionizada,
es decir, existen cargas eléctricas libres.
Compendio elaborado por Isaias Medina de varias fuentes con la asistencia
de IA.
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