Estado de agregación de la materia

Diagrama de fase para el dióxido de carbono en función de presión y temperatura.

La materia se nos presenta en muchas fases o estados, todos con propiedades y características diferentes, y aunque los más conocidos y observables cotidianamente son tres:

• Fase Sólida,

• Fase Líquida,

• Fase Gaseosa;

Otros estados son observables en condiciones extremas de presión y temperatura.

En física y química se observa que, para cualquier cuerpo o estado material, modificando las condiciones de temperatura y/o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases de agregación, denominados estados de agregación de la materia, relacionadas con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que constituyen la materia.

Estado sólido

Manteniendo constante la presión, a baja temperatura, los cuerpos se presentan en forma sólida y precisa, los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente como duros y resistentes. En el sólido hay que destacar que las Fuerzas de Atracción son mayores que las Fuerzas de Repulsión y que la presencia de pequeños espacios intermoleculares caracterizan a los sólidos dando paso a la intervención de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica. El estado sólido presenta las siguientes características:

• Forma y volumen definidos
• Cohesión (atracción)
• Vibración
• Tienen forma definida o rígida
• No pueden comprimirse
• Resistentes a fragmentarse
• No fluyen
• Algunos de ellos se subliman (yodo)
• Volumen tenso

Véanse también: Elasticidad (mecánica de sólidos), Fragilidad y Dureza.

Estado líquido

Si se incrementa la temperatura el sólido va "descomponiéndose" hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

• Cohesión menor (regular)
• Movimiento energía cinética.
• No poseen forma definida.
• Toma la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
• En el frío se comprime, excepto el agua.
• Posee fluidez a través de pequeños orificios.
• Puede presentar difusión.
• No tienen forma fija pero si volumen. la variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Estado gaseoso

Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. El estado gaseoso presenta las siguientes características:

• Cohesión casi nula.
• Sin forma definida.
• Su volumen sólo existe en recipientes que lo contengan.
• Pueden comprimirse fácilmente.
• Ejercen presión sobre las paredes del recipiente contenedor.
• Las moléculas que lo componen se mueven con libertad.
• Ejercen movimiento ultra dinámico.

Plasma

La forma de experimentar el plasma en nuestras vidas es indirecta. El plasma es un gas ionizado, o sea, los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones o de todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones, todos ellos separados entre si y libres, por ello es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol.

En la baja atmósfera, cualquier átomo que pierde un electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) lo recupera un protón o atrapa otro. Pero a altas temperaturas es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente violentas para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran parte de los átomos están permanentemente «ionizados» por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma.

A diferencia de los gases fríos (p.e., el aire a temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos. La lámpara fluorescente, muy usada en el hogar y en el trabajo, contiene plasma (su componente principal es vapor de mercurio) que calienta y agita la electricidad, mediante la línea de fuerza a la que está conectada la lámpara. La línea, positivo eléctricamente un extremo y negativo otro, causa que los iones positivos se aceleren hacia el extremo negativo, y que los electrones negativos vayan hacia el extremo positivo. Las partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se recombinen partículas. Las colisiones también hacen que los átomos emitan luz y esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales. Los letreros de neón y las luces urbanas funcionan por un principio similar y también se usa(ro)n en electrónica.

Una importante cantidad de plasma en la naturaleza se halla en la ionosfera (70-80 km encima de la superficie terrestre). Aquí los electrones son expulsados de los átomos por la luz solar de corta longitud de onda, desde la ultravioleta hasta los rayos X: no se recombinan fácilmente debido a que la atmósfera se rarifica más a mayores altitudes y no son frecuentes las colisiones. La parte inferior de la ionosfera, la «capa D» (70-90 km), aún tiene suficientes colisiones para desaparecer después de la puesta del sol. Entonces se combinan los iones y los electrones, mientras que la ausencia de luz solar no los vuelve a producir. Esta capa se reestablece después del amanecer. Por encima de los 200 km las colisiones son tan infrecuentes que la ionosfera prosigue día y noche.

Perfil de la ionósfera

La parte superior de la ionósfera se extiende en el espacio muchos miles de kilómetros y se combina con la magnetósfera, cuyo plasma está generalmente más rarificado y también más caliente. Los iones y los electrones del plasma de la magnetósfera provienen de la ionósfera que está por debajo y del viento solar y muchos de los pormenores de su entrada y calentamiento no están claros aún.

Existe el plasma interplanetario, el viento solar. La capa más externa del Sol, la corona, está tan caliente que no sólo están ionizados todos sus átomos, sino que aquellos que comenzaron con muchos electrones, tienen arrancados la mayoría (a veces todos), incluidos los electrones de las capas más profundas que están más fuertemente unidos. En la corona del Sol se ha detectado la luz característica del hierro que ha perdido 13 electrones.

Esta temperatura extrema evita que el plasma de la corona permanezca cautivo por la gravedad solar y, así, fluye en todas direcciones, llenando el Sistema Solar más allá de los planetas más distantes. El Sol, mediante el viento solar, configura el distante campo magnético terrestre y el rápido flujo del viento (~430 km/s); proporciona la energía que alimenta los fenómenos de la aurora polar, los cinturones de radiación y de las tormentas magnéticas.

Condensado de Bose-Einstein

Esta nueva forma de la materia fue obtenida el 5 de julio de 1995, por los físicos Eric Cornell, Wolfgan Ketterle y carl Wieman, los cuales fueron galardonados en 2001 con el premio nobel de la física. Los científicos lograron enfriar los átomos a una temperatura 300 veces más bajo que lo que se había logrado anteriormente. Se le ha llamado "BEC, Bose - Einstein Condensado" y es tan frío y denso que ellos aseguran que los átomos pueden quedar inmóviles.Sin embargo todavía no se sabe cuál será el mejor uso que se le pueda dar a este descubrimiento. Este estado fué predicho por Einstein y Bose en 1924.

Condensado Fermiónico

Creado en la universidad de Colorado por primera vez en 1999, el primer condensado de Fermi formado por átomos fue creado en 2003. El condensado fermiónico, considerado como el sexto estado de la materia, es una fase superfluida formada por partículas fermiónicas a temperaturas bajas. Esta cercanamente relacionado con el condensado de Bose-Einstein. A diferencia de los condensados de Bose-Einstein, los fermiones condensados se forman utilizando fermiones en lugar de bosones.

Dicho de otra forma, el condensado de Fermi es un estado de agregación de la materia en la que la materia adquiere superfluidez. Se crea a muy bajas temperaturas extremadamente cerca cero absoluto.

Los primeros condensados fermiónicos describían el estado de los electrones en un superconductor. El primer condensado fermiónico atómico fue creado por Deborah S. Jin en 2003. Un condensado quiral es un ejemplo de un condensado fermiónico que aparece en las teorías de los fermiones sin masa con rompimientos a la simetría quiral.

Es considerado una falacia para muchos científicos. La naturaleza del condensado implica que todas las partículas que lo conforman se encuentran en el mismo estado cuántico, lo cual es sólo posible si dichas partículas son bosones. Ahora bien, el Principio de exclusión de Pauli impide que cualquier pareja de Fermiones ocupe el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto un condensado fermiónico no puede existir.

¿Cuál es la diferencia? Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein. Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el “Principio de Exclusión de Pauli” de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un fermión.

Supersolido (Posible nuevo estado)

Este material es un sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del helio--(4) que lo componen están congelados en una película cristalina rígida, de forma similar a como lo están los átomos y las moléculas en un sólido normal como el hielo. La diferencia es que, en este caso, “congelado” no significa “estacionario”.

Como la película de helio-4 es tan fría (apenas un décimo de grado sobre el cero absoluto), comienzan a imperar las leyes de incertidumbre cuántica. En efecto, los átomos de helio comienzan a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez. De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de los átomos de helio comienza a moverse a través de la película como una sustancia conocida como “súper-fluido”, un líquido que se mueve sin ninguna fricción. De ahí su nombre de “súper-sólido”.

Otros estados de la materia

Existen otros posibles estados de la materia; algunos de estos sólo existen bajo condiciones extremas, como en el interior de estrellas muertas, o en el comienzo del universo después del Big Bang o gran explosión:

• Coloide
• Superfluido
• Materia degenerada
• Materia fuertemente simétrica
• Materia débilmente simétrica
• Materia extraña o Materia de Quarks

Cambios de estado

Los cambios de estado descriptos también se producen si se incrementa la presión manteniendo constante la temperatura. Así, el hielo de las pistas se funde por la presión ejercida por el peso de los patinadores. Esta agua sirve de lubricante, permitiendo el suave deslizamiento de los patinadores.

Para cada elemento o compuesto químico existen determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace referencia únicamente a la temperatura de cambio de estado, que ésta se refiere a la presión de la atm. (la presión atmosférica). De este modo, en "condiciones normales" (presión atmosférica, 0 ºC) hay compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso (S, L y G).

Los procesos en los que una sustancia cambia de estado son: la sublimación (S-G), la vaporización (L-G), la condensación (G-L), la solidificación (L-S), la fusión (S-L), y la sublimación inversa (G-S).