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En el mundo físico, en el mundo químico, en nuestra realidad, podemos entender por materia a todo aquello que posee un lugar en el espacio, posee energía y puede ser medido. Existen cuatro estados de la materia que son sólido, líquido, gaseoso y plasma.
Los estados de agregación
Todas las sustancias, bien sean materiales, elementos o compuestos, presentan un estado de agregación que va a estar determinado por las condiciones de temperatura y presión a las cuales estos se encuentren sometidos. Cada estado de agregación de la materia posee propiedades y características diferentes a los demás, son cuatro: sólido, líquido, gaseoso y plasma.
El estado sólido
La mayoría de los objetos del mundo macroscópico que nos rodea y que podemos percibir se encuentra en estado sólido. Los objetos y sustancias en este estado se caracterizan principalmente por tener una forma constante y definida, esto sucede porque las partículas en el estado sólido poseen fuerzas de atracción muy elevadas, por lo cual se encuentran muy próximas unas con otras dificultando el movimiento o el cambio de posición entre ellas.
Los objetos que se encuentran en estado sólido tienen además de forma, volumen constante, salvo algunos casos como los cauchos, gomas y otros materiales elásticos o moldeables. Esta propiedad se explica por el tipo de estructura que forman las partículas que pueden ser cristalinas, cristalizadas o amorfas.
Los sólidos que presentan estructuras de tipo cristalinas tienen un ordenamiento de átomos o moléculas ordenado y distribuido de forma regular en el espacio que ocupan, constituyendo así lo que se conoce como red cristalina. Estas redes son constantes y permanecen de forma invariable salvo por la acción de fuerzas o agentes externos.
Cristales de Cuarzo, un tipo de sólido que presenta estructura cristalina.
Según el tipo de cristales que posean, podemos clasificar a los sólidos cristalinos de la siguiente forma:
Existen otras sustancias que no presentan ni forma ni estructura cristalina, estos se llaman "sólidos amorfos" y se consideran sólidos porque conservan dos de sus principales características que son la rigidez y la incomprensibilidad, como ejemplos podemos mencionar los vidrios, los cauchos, las gomas y materiales plásticos, entre otros. En algunos casos un mismo compuesto puede formar estructura sólida cristalina o estructura sólida amorfa, dependiendo del ordenamiento de sus partículas. El caso más conocido es el del sílice (SiO2), cuya estructura cristalina forma lo que conocemos como cuarzo y en su estructura amorfa es el vidrio común y corriente.
El vidrio es un sólido amorfo que posee una estructura desordenada, formada por enlaces entre átomos de silicio y oxígeno.
El estado líquido
El estado líquido se conoce como el estado intermedio de la naturaleza, debido a que en él las moléculas se encuentran más separadas que en el estado sólido pero mucho mas juntas que en el estado gaseoso. En este estado, las moléculas al poseer cierta distancia entre unas y otras permiten determinada cantidad de movimientos que comprenden vibración, rotación e incluso traslación de dichas partículas. Siendo estos movimientos los que les permiten a las sustancias adaptarse a la forma del recipiente en el cual se coloquen, esta es la principal característica de los líquidos, conjuntamente con la invariabilidad de su volumen.
Otra característica de los líquidos (que comparten con los gases) es su fluidez, esto es, la propiedad que tienen de moverse o desplazarse dentro del recipiente que los contiene. Sin embargo poseen capacidades de comprensión y dilatación relativamente bajas en comparación a los gases, pero ligeramente mayor que los sólidos.
El estado gaseoso
El estado gaseoso se conoce como aquel que carece de forma y volumen propio, por ende, las sustancias que se encuentran en este estado ocupan el volumen del recipiente que las esté conteniendo y adaptan su forma a él. Los gases se caracterizan por la baja atracción entre las partículas que lo conforman, de hecho suelen ser tan bajas estas interacciones que son consideradas nulas o despreciables.
Los gases a diferencia de los sólidos y de los líquidos se pueden comprimir y dilatar con suma facilidad, esto se debe a que como las partículas se encuentran muy separadas unas con otras existen muchos espacios intermedios vacíos, que pueden ser ocupados por partículas. Las sustancias en el estado gaseoso pueden estar compuestas por elementos, tales como el oxígeno, el cloro, el nitrógeno; por moléculas, tales como el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, el metano; o por mezclas, como por ejemplo el aire, el gas de cocina, entre otros.
Es importante señalar que en los gases existen tres variables (temperatura,presión y volumen) que se encuentran estrechamente relacionadas, a tal punto que si se altera una se verían afectadas las otras dos. Dichas variables se comportan de la siguiente forma:
A temperatura constante: imaginemos una jeringa llena de aire en la cual no se está modificando su temperatura, si tapamos el orificio de salida y hacemos presión en el émbolo, obtendremos como resultado la disminución del volumen, por lo que podemos simplificar que a mayor presión menor será el volumen, es decir; son inversamente proporcionales.
A presión constante: si tomamos dos recipientes que contengan un gas a la misma presión, tapamos a ambos con un émbolo y sometemos a uno a un aumento de temperatura podremos observar que el émbolo sufrirá un desplazamiento debido a que las partículas adquieren mayor energía cinética y por lo tanto, mayor cantidad de choques a mayor velocidad, aumentando así el volumen. Por esta razón podemos decir que la temperatura y el volumen en el estado gaseoso son directamente proporcionales.
A volumen constante: si tenemos un recipiente indeformable que contiene un gas y aplicamos un aumento de temperatura aumentará la energía cinética de las partículas, aumentando por consiguiente el choque de estas con las paredes del recipiente y produciendo un aumento de presión. Debido a esto podemos concluir que la temperatura y la presión en los gases son directamente proporcionales.
El estado de plasma
El estado de plasma es similar al gaseoso pero ocurre a condiciones más extremas de temperatura y presión. El plasma a diferencia del estado gaseoso está constituido por partículas cargadas positiva y negativamente, es decir, cationes y aniones respectivamente, lo cual permite que posea una gran fluidez y sea un excepcional conductor eléctrico. También manifiesta una gran interacción con los campos electromagnéticos y como ejemplos podemos mencionar al sol o a las lámparas de plasma.
Los cambios de estado
La materia en condiciones ambientales normales suele presentarse en un estado, pero al modificar las principales variables que influyen en la manera en que las partículas se atraen, podemos lograr el paso de una etapa a otra. El ejemplo más representativo en los cambios de estados nos lo proporciona el agua, debido a que tan solo modificando el factor principal que es la temperatura podemos pasar de un estado de agregación a otro con relativa facilidad.
Los cambios de estado que ocurren entre los estados básicos de la materia los podemos representar de la siguiente manera:
Cambios de estado líquido-gas: ocurren cuando las moléculas pasan de la fase liquida a la gaseosa o al contrario. Estos cambios están comprendidos en la vaporización, el primero es la ebullición y se da cuando hay un aumento en la temperatura y el líquido alcanza su "punto de ebullición". El otro tipo de vaporización es mediante la evaporación, la cual ocurre cuando un líquido pasa a la fase gaseosa a cualquier temperatura, pero esto solo ocurre en la superficie del líquido.
La formación de las nubes consiste en un proceso de evaporación del agua de los ríos, lagos, mares y océanos.
Cambios de estado sólido-líquido: se llevan a cabo en dos procesos, el primero es la fusión que consiste en el paso de un sólido al estado líquido por medio del aumento de la temperatura hasta alcanzar el "punto de fusión" de dicho sólido. El segundo proceso es la solidificación y ocurre de manera contraria a la fusión, es decir, se produce por un descenso en la temperatura de un líquido, hasta que éste alcanza su punto de congelación.
Los glaciares son un ejemplo del proceso de solidificación que se da de manera natural en aguas abiertas a baja temperatura.
Cambios de estado sólido-gaseoso: pueden tener lugar mediante dos procesos, el primero es la sublimación, la cual consiste en el paso de un sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido, el ejemplo más común es el que ocurre en el llamado "hielo seco" que es dióxido de carbono en estado sólido, este se "esfuma" sin pasar por el estado líquido. El segundo proceso es la sublimación inversa y se trata del paso de una sustancia en estado gaseoso al estado sólido sin pasar por el líquido, el ejemplo más relevante es la formación de la nieve o escarcha que se forma de manera natural en muchas partes del mundo.
El dióxido de carbono en estado sólido o "hielo seco" experimenta el proceso de sublimación al llegar a la fase gaseosa sin pasar por la líquida.
Cambios de estado gaseoso-plasma: además de los cambios que ocurren dentro de los tres estados básicos de la materia también debemos mencionar que el estado gaseoso pasa a la fase de plasma mediante un proceso de ionización de sus partículas, convirtiéndose en un conductor de la electricidad. También puede darse el proceso inverso, denominado desionización el cual parte de la fase plasmática anulando la carga de las partículas y obteniéndose finalmente el gas.
Cambios de estados progresivos y regresivos
Para que un cambio de estado tenga lugar siempre debe haber una cierta cantidad de energía que se gana o se pierde con el transcurso del tiempo. Si el sistema gana energía con el cambio de estado estamos hablando de un cambio progresivo, la vaporización del agua o la fusión de un hielo son ejemplos de cambios progresivos. Por otra parte, si el sistema pierde energía cuando se da el cambio de estado entonces estamos hablando de un cambio regresivo, la condensación de las nubes, la sublimación del naftaleno, son ejemplos de cambios de estados regresivos.
