Estados de la materia

Todo a tu alrededor está hecho de pequeñas partículas — estas pueden ser átomos, moléculas o iones. La teoría cinética de las partículas dice que estas partículas están siempre en movimiento. Qué tan cerca están las partículas, cómo están dispuestas y cómo se mueven determina si la materia es un sólido, un líquido o un gas.

Propiedades que puedes observar

No necesitas un microscopio para distinguir los tres estados. Se comportan de manera diferente:

• Un sólido tiene una forma fija y un volumen fijo. No fluye y no se lo puede comprimir (aplastar para hacerlo más pequeño).
• Un líquido tiene un volumen fijo pero no tiene forma fija. Fluye y adopta la forma de su recipiente. Es casi imposible de comprimir.
• Un gas no tiene forma fija ni volumen fijo. Fluye y se expande para llenar todo el recipiente. Un gas es fácil de comprimir.

La tabla a continuación resume estas propiedades. La densidad significa cuánto masa está empaquetada en un volumen dado.

El modelo de partículas

La teoría cinética de las partículas explica estas propiedades al mirar tres cosas: la separación de las partículas (qué tan separadas están), su disposición (el patrón) y su movimiento (cómo se mueven).

Las fuertes fuerzas de atracción mantienen unidas a las partículas. En un sólido estas fuerzas son lo suficientemente fuertes como para mantener cada partícula en su lugar, por lo que un sólido mantiene su forma. En un líquido las fuerzas son más débiles, por lo que las partículas pueden moverse. En un gas las partículas se mueven tan rápido que las fuerzas apenas actúan, por lo que el gas se expande.

Cuando calientas o enfrías una sustancia, puede cambiar de un estado a otro. Debes conocer el nombre de cada cambio.

Un sólido puro funde a una temperatura fija, el punto de fusión. Un líquido puro hierve a una temperatura fija, el punto de ebullición. La misma sustancia se congela en su punto de fusión y se condensa en su punto de ebullición.

Algunas sustancias cambian directamente de sólido a gas sin fundirse primero. Esto se llama sublimación. En la foto de abajo, el yodo sólido calentado en un vaso de precipitados se convierte directamente en un gas púrpura; luego el gas se enfría en el matraz redondo con hielo de arriba y vuelve a convertirse en sólido.

Explicando los cambios de estado con la teoría de las partículas

Cada cambio de estado es realmente un cambio en la energía de las partículas.

• Cuando calientas un sólido, las partículas ganan energía y vibran más rápido. En el punto de fusión, las partículas tienen suficiente energía para separarse de sus posiciones fijas y deslizarse — el sólido se funde.
• Cuando calientas un líquido, las partículas se mueven más rápido. En el punto de ebullición tienen suficiente energía para escapar completamente de las fuerzas de atracción y convertirse en gas.
• El enfriamiento hace lo contrario. Las partículas pierden energía, se mueven más despacio y las fuerzas de atracción las vuelven a juntar.

Durante un cambio de estado, la energía se destina a romper las fuerzas de atracción, no a hacer que las partículas se muevan más rápido. Por eso la temperatura permanece constante mientras una sustancia se funde o hierve.

Curvas de calentamiento y enfriamiento

Una curva de calentamiento es una gráfica de temperatura contra tiempo mientras calientas una sustancia de manera constante. Una curva de enfriamiento es la misma gráfica cuando la sustancia se enfría.

En una curva de calentamiento hay dos partes planas (horizontales):

• La primera parte plana está en el punto de fusión. Aquí coexisten el sólido y el líquido. La energía calorífica rompe las fuerzas que mantienen unido al sólido, por lo que la temperatura no sube.
• La segunda parte plana está en el punto de ebullición. Aquí coexisten el líquido y el gas, y la temperatura nuevamente se mantiene constante.

Una curva de enfriamiento es el reverso. Tiene una parte plana en el punto de ebullición (el gas se condensa) y una parte plana en el punto de fusión (el líquido se congela). A medida que las partículas disminuyen su velocidad, la energía térmica se libera al entorno.

Un gas empuja contra las paredes de su recipiente. Este empuje, distribuido sobre el área de la pared, es la presión del gas. La presión proviene de las partículas del gas golpeando las paredes.

Efecto de la temperatura

Si calientas una masa fija de gas manteniendo la presión constante, su volumen aumenta.

Usando la teoría de las partículas: calentar da a las partículas más energía cinética, así que se mueven más rápido. Golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia. Para mantener la presión constante, el gas debe ocupar más espacio, por lo que el volumen se hace más grande.

Si en cambio el volumen es fijo (un recipiente sellado y rígido), calentar el gas hace que la presión aumente, porque las partículas más rápidas chocan contra las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia.

Efecto de la presión

Si aumentas la presión sobre una masa fija de gas manteniendo la temperatura constante, su volumen disminuye. Comprimir el gas en un espacio más pequeño significa que las partículas golpean las paredes con más frecuencia, lo cual es lo que significa una presión mayor.

La difusión es la expansión de partículas desde una región donde están agrupadas hacia una región donde están dispersas — es decir, de alta concentración a baja concentración. Ocurre porque las partículas están siempre moviéndose en direcciones aleatorias.

La difusión explica por qué puedes oler comida desde el otro lado de una habitación: las partículas del olor se mueven y se mezclan con el aire hasta llegar a tu nariz. La difusión ocurre en gases y líquidos, pero no en sólidos, porque las partículas sólidas no pueden moverse de un lugar a otro.

Velocidad de difusión y masa molecular

Las partículas de gas más ligeras se mueven más rápido que las más pesadas a la misma temperatura. Por lo tanto, un gas con una masa molecular relativa menor (una masa menor para cada molécula) tiene una velocidad de difusión más rápida.

Un experimento clásico lo demuestra. Algodón empapado en amoníaco ($\text{NH}_3$) se coloca en un extremo de un tubo largo de vidrio. Algodón empapado en cloruro de hidrógeno ($\text{HCl}$) se coloca en el otro extremo. Ambos gases se difunden a lo largo del tubo y se encuentran para formar un anillo blanco de cloruro de amonio ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

El amoníaco tiene $M_r = 17$ y el cloruro de hidrógeno tiene $M_r = 36.5$. El amoníaco es más ligero, por lo que se difunde más rápido y recorre una mayor distancia a lo largo del tubo. El anillo blanco se forma más cerca del extremo del cloruro de hidrógeno.

Ejemplo resuelto. El bromo ($M_r = 160$) y el amoníaco ($M_r = 17$) se liberan simultáneamente en extremos opuestos de un tubo largo. ¿Cuál viaja más lejos antes de encontrarse? Compara las masas moleculares relativas. El $M_r$ del amoníaco es mucho menor, por lo que sus moléculas se mueven más rápido a la misma temperatura y se difunden más rápidamente. Por lo tanto, el amoníaco viaja una mayor distancia, y los dos gases se encuentran más cerca del extremo del bromo. La regla es siempre "más ligero significa más rápido" — argumenta basándote en el $M_r$, nunca en el tamaño de la fórmula en papel.

• Durante la fusión y la ebullición, la temperatura se mantiene constante (las partes planas de una curva de calentamiento), porque la energía rompe las fuerzas entre las partículas en lugar de hacer que se muevan más rápido.
• La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en toda la masa líquida a una temperatura fija.
• Explica el comportamiento de los gases con la teoría de las partículas: calentar un gas a volumen fijo aumenta la presión porque las partículas golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia — las propias partículas no se hacen más grandes.
• La difusión es más rápida para partículas más ligeras (menor $M_r$) y no puede ocurrir en sólidos. En el tubo de amoníaco/cloruro de hidrógeno, el amoníaco más ligero viaja más lejos, por lo que el anillo blanco se forma más cerca del extremo del HCl.