4.3: Estados físicos de la materia

Objetivos de aprendizaje

• Describir las fases sólida, líquida y gaseosa.

El agua puede tomar muchas formas. A bajas temperaturas (por debajo\(0^\text{o} \text{C}\)), es un sólido. Cuando a temperaturas “normales” (entre\(0^\text{o} \text{C}\) y\(100^\text{o} \text{C}\)), es un líquido. Mientras que a temperaturas superiores\(100^\text{o} \text{C}\), el agua es un gas (vapor). El estado en el que se encuentra el agua depende de la temperatura. Cada estado (sólido, líquido y gas) tiene su propio conjunto único de propiedades físicas. La materia suele existir en uno de tres estados: sólido, líquido o gas.

Figura\(\PageIndex{1}\): La materia suele clasificarse en tres estados clásicos, con plasma a veces agregado como cuarto estado. De izquierda a derecha: cuarzo (sólido), agua (líquido), dióxido de nitrógeno (gas).

El estado que exhibe una sustancia dada es también una propiedad física. Algunas sustancias existen como gases a temperatura ambiente (oxígeno y dióxido de carbono), mientras que otras, como el agua y el mercurio metálico, existen como líquidos. La mayoría de los metales existen como sólidos a temperatura ambiente. Todas las sustancias pueden existir en cualquiera de estos tres estados. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra las diferencias entre sólidos, líquidos y gases a nivel molecular. Un sólido tiene un volumen y forma definidos, un líquido tiene un volumen definido pero no una forma definida, y un gas no tiene ni un volumen ni forma definidos.

Figura\(\PageIndex{2}\): Representación de los Estados Sólido, Líquido y Gas. (a) El sólido O ₂ tiene un volumen y forma fijos, y las moléculas se empaquetan firmemente juntas. b) El líquido O ₂ se ajusta a la forma de su recipiente pero tiene un volumen fijo; contiene moléculas relativamente densamente empaquetadas. (c) El O ₂ gaseoso llena su contenedor completamente, independientemente del tamaño o forma del recipiente, y consiste en moléculas ampliamente separadas.

Plasma: Un cuarto estado de la materia

Técnicamente hablando existe un cuarto estado de materia llamado plasma, pero no ocurre naturalmente en la tierra, por lo que lo omitiremos de nuestro estudio aquí.

Un globo de plasma operando en una habitación oscura. (CC BY-SA 3.0; Roble Chocolate).

Sólidos

En estado sólido, las partículas individuales de una sustancia están en posiciones fijas entre sí debido a que no hay suficiente energía térmica para superar las interacciones intermoleculares entre las partículas. Como resultado, los sólidos tienen una forma y volumen definidos. La mayoría de los sólidos son duros, pero algunos (como las ceras) son relativamente blandos. Muchos sólidos compuestos de iones también pueden ser bastante quebradizos.

Los sólidos se definen por las siguientes características:

• Forma definida (rígida)
• Volumen definido
• Las partículas vibran alrededor de ejes fijos

Si tuviéramos que enfriar el mercurio líquido a su punto de congelación de\(-39^\text{o} \text{C}\), y bajo las condiciones de presión adecuadas, notaríamos que todas las partículas líquidas entrarían en estado sólido. El mercurio se puede solidificar cuando su temperatura se lleva a su punto de congelación. Sin embargo, cuando se devuelve a las condiciones de temperatura ambiente, el mercurio no existe en estado sólido por mucho tiempo, y vuelve a su forma líquida más común.

Los sólidos suelen tener sus partículas constituyentes dispuestas en una matriz regular tridimensional de iones positivos y negativos alternos llamados cristal. El efecto de esta disposición regular de partículas es a veces visible macroscópicamente, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Algunos sólidos, especialmente los compuestos por moléculas grandes, no pueden organizar fácilmente sus partículas en cristales tan regulares y existen como sólidos amorfos (literalmente, “sin forma”). El vidrio es un ejemplo de un sólido amorfo.

Figura\(\PageIndex{3}\): (izquierda) La estructura reticular cristalina periódica del cuarzo\(SiO_2\) in two-dimensions. (derecha) La estructura de red aleatoria de vidrio\(SiO_2\) in two-dimensions. Note that, as in the crystal, each Silicon atom is bonded to 4 oxygen atoms, where the fourth oxygen atom is obscured from view in this plane. Images used with permission (public domain)

Líquidos

Si las partículas de una sustancia tienen suficiente energía para superar parcialmente las interacciones intermoleculares, entonces las partículas pueden moverse unas sobre otras mientras permanecen en contacto. Esto describe el estado líquido. En un líquido, las partículas siguen en contacto cercano, por lo que los líquidos tienen un volumen definido. Sin embargo, debido a que las partículas pueden moverse unas alrededor de otras con bastante libertad, un líquido no tiene una forma definida y toma una forma dictada por su contenedor.

Los líquidos tienen las siguientes características:

• Sin forma definida (toma la forma de su contenedor)
• Tiene volumen definido
• Las partículas son libres de moverse unas sobre otras, pero aún se sienten atraídas entre sí

Un líquido familiar es el mercurio metálico. El mercurio es una anomalía. Es el único metal que conocemos que es líquido a temperatura ambiente. El mercurio también tiene la capacidad de adherirse a sí mismo (tensión superficial), una propiedad que todos los líquidos exhiben. El mercurio tiene una tensión superficial relativamente alta, lo que lo hace muy único. Aquí se ve el mercurio en su forma líquida común.

Video\(\PageIndex{1}\): Mercurio hirviendo para convertirse en un gas.

Si calentamos el mercurio líquido a su punto de ebullición de\(357^\text{o} \text{C}\), y bajo las condiciones de presión adecuadas, notaríamos que todas las partículas en estado líquido entran en el estado gaseoso.

Gases

Si las partículas de una sustancia tienen suficiente energía para superar completamente las interacciones intermoleculares, entonces las partículas pueden separarse entre sí y moverse aleatoriamente en el espacio. Esto describe el estado del gas, que consideraremos con más detalle en otra parte. Al igual que los líquidos, los gases no tienen una forma definida, pero a diferencia de los sólidos y líquidos, los gases tampoco tienen un volumen definido. El cambio de sólido a líquido generalmente no cambia significativamente el volumen de una sustancia. Sin embargo, el cambio de un líquido a un gas aumenta significativamente el volumen de una sustancia, en un factor de 1,000 o más. Los gases tienen las siguientes características:

• Sin forma definida (toma la forma de su contenedor)
• Sin volumen definido
• Las partículas se mueven en movimiento aleatorio con poca o ninguna atracción entre sí
• Altamente compresible

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Características de los tres estados de la materia

Características	Sólidos	Líquidos	Gases
forma	definido	indefinido	indefinido
volumen	definido	definido	indefinido
fuerza de interacción intermolecular relativa	fuerte	moderado	débil
posiciones relativas de las partículas	en contacto y fijo en su lugar	en contacto pero no fijo	no en contacto, posiciones aleatorias

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Qué estado o estados de materia describe cada enunciado?

1. Este estado tiene un volumen definido, pero no una forma definida.
2. Este estado no tiene un volumen definido.
3. Este estado permite que las partículas individuales se muevan mientras permanecen en contacto.

Solución

1. Esta afirmación describe el estado líquido.
2. En este comunicado se describe el estado del gas.
3. Esta afirmación describe el estado líquido.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Qué estado o estados de materia describe cada enunciado?

1. Este estado tiene partículas individuales en una posición fija una con respecto a la otra.
2. Este estado tiene partículas individuales muy separadas entre sí en el espacio.
3. Este estado tiene una forma definida.

Respuesta a:

sólido

Respuesta b:

gas

Respuesta c:

sólido

Resumen

• Existen tres estados de materia: sólido, líquido y gas.
• Los sólidos tienen una forma y volumen definidos.
• Los líquidos tienen un volumen definido, pero toman la forma del contenedor.
• Los gases no tienen forma ni volumen definidos

Colaboradores y Atribuciones

• CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.

• Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)

• Henry Agnew (UC Davis)