Cambios de estado de la materia

Materia es todo aquello que nos rodea que tiene masa y peso, que ocupa un lugar en el espacio, que es perceptible por alguno de nuestros sentidos y que se opone a cambiar de posición, es decir, que tiene inercia. 

   El entorno que nos rodea está compuesto de materia. Gracias a nuestros sentidos somos capaces de reconocer o percibir varios tipos de materia. Algunos de ellos son fácilmente reconocibles como por ejemplo una moneda, la cual la podemos ver, tocar y por tanto reconocer con bastante facilidad, pero hay otros que no podemos percibir con la misma facilidad, como por ejemplo, el aire. 

   La materia está formada por cientos de partículas elementales que se acoplan entre sí para formar átomos que se unen a su vez para formar las moléculas, las cuales están sometidas a dos fuerzas antagónicas, que son cohesión y repulsión. Debido a estas fuerzas y al predominio de una sobre la otra hace que la materia esté presente en tres formas: líquido, sólido y gaseoso, conocidas con el nombre de “estados de la materia”. 

 

Estados de la materia
Sólido Líquido Gaseoso
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Tiene forma y volumen definido, debido a que la fuerza de atracción es mayor que la de repulsión Tiene volumen definido pero forma variable ya que depende del recipiente que lo contenga. Hay equilibrio entre sus fuerzas de atracción y repulsión. No tiene ni forma ni volumen definido ya que su fuerza de repulsión es mucho mayor que la de atracción.

 

En la naturaleza podemos observar cambios de la materia de manera frecuente, como el tan conocido caso del agua, que puede encontrarse en forma sólida, líquida y gaseosa. Los cuerpos cambian de un estado a otro debido al efecto que produce sobre él la temperatura y la presión, ya sea aumentando o disminuyendo dichos factores.

   De manera general y más visual podemos comprender los distintos cambios de estado por los que puede pasar la materia: 

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  1. Cambios de estado progresivos: Se producen cuando aumentamos la temperatura de los cuerpos mediante la aplicación de calor, como son: fusión, evaporación y sublimación directa. 
    • Fusión: Es el paso del estado sólido al estado líquido mediante la aplicación de calor. La temperatura a la que se produce dicho proceso depende de cada sustancia, denominándose a dicha temperatura “Punto de Fusión”. En el caso del oro,  por ejemplo, es 1064º C mientras que en el caso del hielo es de 0º C.
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    • Evaporación o Vaporización: Es el paso de una sustancia en estado líquido a gas. Este proceso puede ocurrir a temperatura ambiente, pasando únicamente las partículas de la superficie al estado gaseoso. Si se aplica calor tanto las partículas de la superficie cómo las del interior podrán pasar al estado gaseoso. La temperatura necesaria para alcanzar dicho punto se denomina “Punto de Ebullición” y es característica de cada sustancia. Para el caso de la plata es de 2162 ºC, mientras que en el caso del agua es de solamente 100 ºC.
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      En un laboratorio correctamente adaptado hay diversas maneras para realizar dicho proceso. Una de ellas es mediante el REFLUJO, donde con una placa calefactora, aumentamos la temperatura de la sustancia en estado líquido, hasta alcanzar su punto de ebullición. A dicha temperatura comienza a producirse vapor que asciende por la columna y podemos posteriormente condensarlo de nuevo para recogerlo si nos interesa. 

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    • Sublimación directa: Es el paso del estado sólido a gas por un aumento de la temperatura. En la naturaleza hay algunas sustancias que pueden sufrir dicha transformación como por ejemplo el yodo metálico, el azufre, el hielo seco o el ácido benzoico entre otros.  Si estudiamos el caso del hielo seco (CO2) en el laboratorio, vemos que la transformación es inmediata cuando le añadimos unas gotas de etanol.
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      Industrialmente este proceso se puede realizar de manera rápida y efectiva, gracias al “liofilizador”.

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      Con la LIOFILIZACIÓN podemos eliminar el agua presente en disoluciones debido a las condiciones de baja presión y de baja temperatura que nos facilita el equipo. El agua presente se elimina por congelación y posterior sublimación del hielo. Al suministrar calor el hielo pasa de su fase sólida a la gaseosa sin alcanzar el punto de ebullición del agua y por tanto sin pasar por la fase líquida.

  2. Cambios de estado regresivos: Son aquellos que se producen cuando la temperatura de los cuerpos disminuye, es decir, se enfrían, tales como: solidificación, condensación y sublimación regresiva. 
    • Solidificación: Es el paso de una sustancia desde el estado líquido al estado sólido. Para que este proceso ocurra, la sustancia debe alcanzar una temperatura determinada conocida como “Punto de solidificación” y, debido a que este proceso es inverso al de fusión, coincide con la temperatura del Punto de Fusión.    En nuestras vidas cotidianas vemos en ocasiones dicho proceso con el agua, que se forma hielo cuando disminuimos su temperatura. Pero en el laboratorio podemos realizar multitud de solidificaciones, la más conocida es la CRISTALIZACIÓN. 
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      La cristalización es una técnica muy empleada en el laboratorio para purificar sustancias que normalmente contienen impurezas. Una sustancia que cristaliza fácilmente es el KH2PO4 (fosfato monopotásico) tras realizar una solución saturada de dicho compuesto con agua caliente. 

       

      Cristalización del KH2PO4
       Se realiza una solución saturada de aproximadamente 3,5g de Fosfato monopotásico en 20mL de agua caliente. 
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      Tras la completa disolución de la mezcla y sin esperar que se enfríe se vierte sobre el recipiente.
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      La solución saturada comienza a ascender por absorción por el papel y a medida que se enfría se produce la cristalización adquiriendo la tonalidad verde debido a la tinta usada previamente en el papel. 
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      La cristalización finaliza cuando se ha consumido toda la solución de Fosfato monopotásico. 
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    • Condensación: Es el paso de gas a líquido debido a una disminución de la temperatura. La temperatura a la que ocurre esta transformación se conoce como “Punto de condensación” y corresponde con el Punto de Ebullición ya que dicho proceso es inverso al de evaporación.   En el laboratorio normalmente se obtiene este paso de fase gracias a la realización de un montaje con una columna de fraccionamiento, las cuales son tubos de vidrio relleno de un empaquetado y se coloca entre el matriz y la cabeza de destilación. 
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      El vapor se condensa en el relleno de la columna, volviendo a evaporarse de nuevo y condensando una vez mas en el plato superior. A continuación se le acopla un refrigerante en el que gracias al paso constante de agua fría por su alrededor conseguimos condensar el gas para poder recogerlo a su salida. 

    • Sublimación regresiva o inversa: Es el paso del estado gas a sólido pero sin pasar por el estado líquido.    Como ya hemos comentado anteriormente, hay diversos productos que pueden sublimar al ser calentados. 

        Es el ejemplo del ácido benzoico, que si previamente tapado, lo calentamos con precaución se producen vapores en su interior del color de dicho ácido. 

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      Si ponemos en contacto al vapor obtenido en la sublimación con una superficie fría, como una tapadera, el ácido benzoico experimenta una sublimación inversa formando cristales de elevada pureza. 

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      Hay dos estados más en los que la materia puede encontrarse, pero no son muy conocidos. Las características que necesitan para estar presentes son muy concretas y no es posible, por ahora, la transformación de materia entre estos estados y otros. Por lo tanto, no se pueden englobar con los estados anteriores.

  3. Estado plasmático: Es un estado que se caracteriza por ser muy energético y poder ser generado solamente en situaciones de temperatura muy elevada. En este estado todos los átomos están ionizados y con algunos electrones libres presentes.   Es el estado más común en el universo, permite que se conduzca la electricidad pero no tiene forma ni volumen fijo. En este estado se encuentran por ejemplo los rayos, las estrellas o incluso el Sol.

      En nuestras vidas también está muy presente ya que este estado ha favorecido la formación de bombillas fluorescentes de bajo consumo eléctrico o las televisiones planas compuestas por los gases nobles xenón y neón. 

  4. Estado condensado de Bose-Einstein: Debe su nombre a Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quienes predijeron su existencia. Este estado solamente se da en algunos superfluídos gaseosos que son enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273ºC).  La principal característica de dicho estado es que una cantidad macroscópica de las partículas del material que lo componen pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. 

 

 

 

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