Históricamente, la distinción se basa en las diferencias cualitativas de las propiedades. La materia en estado sólido mantiene un volumen y una forma fijos, con las partículas que la componen (átomos, moléculas o iones) muy juntas y fijadas en su lugar. La materia en estado líquido mantiene un volumen fijo, pero tiene una forma variable que se adapta a su contenedor. Sus partículas siguen estando juntas, pero se mueven libremente. La materia en estado gaseoso tiene tanto un volumen como una forma variable, adaptándose a su contenedor. Sus partículas no están ni juntas ni fijas. La materia en estado de plasma tiene volumen y forma variables, pero además de átomos neutros, contiene un número importante de iones y electrones, que pueden moverse libremente. El plasma es la forma más común de materia visible en el universo.
Los cuatro estados fundamentales de la materia. En el sentido de las agujas del reloj, desde la parte superior izquierda, son el sólido, el líquido, el plasma y el gas, representados por una escultura de hielo, una gota de agua, el arco eléctrico de una bobina de tesla y el aire que rodea a las nubes, respectivamente.
Los cuatro estados fundamentales
Sólido
En un sólido, las partículas (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son fuertes, por lo que éstas no pueden moverse libremente, sino que sólo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable y definida, y un volumen definido. Los sólidos sólo pueden cambiar su forma por la fuerza, como cuando se rompen o se cortan.
En los sólidos cristalinos, las partículas (átomos, moléculas o iones) se empaquetan en un patrón regularmente ordenado y repetido. Existen varias estructuras cristalinas diferentes, y una misma sustancia puede tener más de una estructura (o fase sólida). Por ejemplo, el hierro tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 °C, y una estructura cúbica centrada en la cara entre 912 y 1394 °C. El hielo tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a diversas temperaturas y presiones.
Los cristales y otros sólidos no cristalinos y amorfos sin orden de largo alcance no son estados básicos de equilibrio térmico; por lo tanto, se describen a continuación como estados no clásicos de la materia.
Los sólidos pueden transformarse en líquidos por fusión y también pueden cambiar directamente a gases mediante el proceso de sublimación.
Líquido
Estructura de un líquido clásico de un solo átomo. Los átomos tienen muchos vecinos más cercanos en contacto, pero no hay orden de largo alcance.
Un líquido es un fluido casi incompresible que se ajusta a la forma de su contenedor pero mantiene un volumen (casi) constante independiente de la presión. El volumen es definido si la temperatura y la presión son constantes. Cuando un sólido se calienta por encima de su punto de fusión, se convierte en líquido, siempre que la presión sea superior al punto triple de la sustancia. Las fuerzas intermoleculares (o interatómicas o interiónicas) siguen siendo importantes, pero las moléculas tienen suficiente energía para moverse entre sí y la estructura es móvil. Esto significa que la forma de un líquido no está definida, sino que viene determinada por su recipiente. El volumen suele ser mayor que el del sólido correspondiente, siendo la excepción más conocida el agua, H2O. La temperatura más alta a la que puede existir un determinado líquido es su temperatura crítica.
Gas
Los espacios entre las moléculas del gas son muy grandes. Las moléculas de gas tienen enlaces muy débiles o no tienen ninguno. Las moléculas del «gas» pueden moverse libremente y con rapidez.
Un gas es un fluido compresible. Un gas no sólo se ajustará a la forma de su recipiente, sino que también se expandirá para llenar el recipiente.
En un gas, las moléculas tienen suficiente energía cinética para que el efecto de las fuerzas intermoleculares sea pequeño (o nulo para un gas ideal), y la distancia típica entre moléculas vecinas es mucho mayor que el tamaño molecular. Un gas no tiene forma ni volumen definidos, sino que ocupa todo el recipiente en el que está confinado. Un líquido puede convertirse en gas calentándolo a presión constante hasta el punto de ebullición, o bien reduciendo la presión a temperatura constante.
A temperaturas inferiores a su temperatura crítica, un gas también se denomina vapor, y puede licuarse sólo por compresión sin enfriamiento. Un vapor puede existir en equilibrio con un líquido (o un sólido), en cuyo caso la presión del gas es igual a la presión de vapor del líquido (o del sólido).
Un fluido supercrítico (SCF) es un gas cuya temperatura y presión están por encima de la temperatura crítica y de la presión crítica respectivamente. En este estado, la distinción entre líquido y gas desaparece. Un fluido supercrítico tiene las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad le confiere propiedades de disolvente en algunos casos, lo que da lugar a aplicaciones útiles. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se utiliza para extraer cafeína en la fabricación de café descafeinado.
Plasma
En un plasma, los electrones son arrancados de sus núcleos, formando un «mar» de electrones. Esto le confiere la capacidad de conducir la electricidad.
Al igual que un gas, el plasma no tiene forma ni volumen definidos. A diferencia de los gases, los plasmas son conductores eléctricos, producen campos magnéticos y corrientes eléctricas, y responden fuertemente a las fuerzas electromagnéticas. Los núcleos cargados positivamente nadan en un «mar» de electrones disociados que se mueven libremente, de forma similar a como existen dichas cargas en el metal conductor. De hecho, es este «mar» de electrones el que permite a la materia en estado de plasma conducir la electricidad.
El estado de plasma es a menudo malinterpretado, pero en realidad es bastante común en la Tierra, y la mayoría de las personas lo observan de forma regular sin siquiera darse cuenta. Los relámpagos, las chispas eléctricas, las luces fluorescentes, las luces de neón, los televisores de plasma, algunos tipos de llamas y las estrellas son todos ejemplos de materia iluminada en estado de plasma.
Un gas suele convertirse en plasma de una de estas dos maneras, ya sea a partir de una enorme diferencia de voltaje entre dos puntos, o exponiéndolo a temperaturas extremadamente altas.
Calentar la materia a altas temperaturas hace que los electrones abandonen los átomos, dando lugar a la presencia de electrones libres. A temperaturas muy altas, como las presentes en las estrellas, se supone que esencialmente todos los electrones son «libres», y que un plasma de muy alta energía es esencialmente núcleos desnudos nadando en un mar de electrones.
Transiciones de fase
Este diagrama ilustra las transiciones entre los cuatro estados fundamentales de la materia.
Un estado de la materia también se caracteriza por las transiciones de fase. Una transición de fase indica un cambio en la estructura y puede reconocerse por un cambio abrupto en las propiedades. Un estado distinto de la materia puede definirse como cualquier conjunto de estados que se distingue de cualquier otro conjunto de estados por una transición de fase. Se puede decir que el agua tiene varios estados sólidos distintos. La aparición de la superconductividad está asociada a una transición de fase, por lo que existen estados superconductores. Del mismo modo, los estados ferromagnéticos están delimitados por transiciones de fase y tienen propiedades distintivas. Cuando el cambio de estado se produce por etapas, los pasos intermedios se denominan mesofases. Dichas fases han sido explotadas mediante la introducción de la tecnología del cristal líquido.
El estado o fase de un determinado conjunto de materia puede cambiar en función de las condiciones de presión y temperatura, transitando a otras fases a medida que estas condiciones cambian para favorecer su existencia; por ejemplo, el sólido transita a líquido con un aumento de la temperatura. Cerca del cero absoluto, una sustancia existe como un sólido. Al añadir calor a esta sustancia, se funde en un líquido en su punto de fusión, hierve en un gas en su punto de ebullición y, si se calienta lo suficiente, entraría en un estado de plasma en el que los electrones están tan energizados que abandonan sus átomos madre.
Las formas de la materia que no están compuestas por moléculas y están organizadas por fuerzas diferentes también pueden considerarse estados diferentes de la materia. Los superfluidos (como el condensado fermiónico) y el plasma de quark-gluón son ejemplos.
En una ecuación química, el estado de la materia de las sustancias químicas puede mostrarse como (s) para el sólido, (l) para el líquido y (g) para el gas. Una solución acuosa se denota (aq). La materia en estado de plasma se utiliza raramente (si es que se utiliza) en las ecuaciones químicas, por lo que no existe un símbolo estándar para denotarlo. En las raras ecuaciones en las que se utiliza el plasma se simboliza como (p).
Estados no clásicos
Vidrio
El vidrio es un material sólido no cristalino o amorfo que presenta una transición vítrea cuando se calienta hacia el estado líquido. Los vidrios pueden estar hechos de diferentes clases de materiales: redes inorgánicas (como el vidrio de las ventanas, hecho de silicato más aditivos), aleaciones metálicas, fundidos iónicos, soluciones acuosas, líquidos moleculares y polímeros. Termodinámicamente, un vidrio se encuentra en un estado metaestable con respecto a su homólogo cristalino. La tasa de conversión, sin embargo, es prácticamente nula.
Cristales con cierto grado de desorden
Un cristal plástico es un sólido molecular con orden posicional de largo alcance pero con moléculas constituyentes que retienen la libertad rotacional; en un cristal orientativo este grado de libertad se congela en un estado desordenado apagado.
De forma similar, en un cristal de espín se congela el desorden magnético.
Estados de cristal líquido
Los estados de cristal líquido tienen propiedades intermedias entre los líquidos móviles y los sólidos ordenados. En general, son capaces de fluir como un líquido, pero exhibiendo un orden de largo alcance. Por ejemplo, la fase nemática consiste en moléculas largas en forma de varilla, como el para-azoxianisol, que es nemático en el rango de temperatura de 118-136 °C. En este estado las moléculas fluyen como en un líquido, pero todas apuntan en la misma dirección (dentro de cada dominio) y no pueden girar libremente.
Otros tipos de cristales líquidos se describen en el artículo principal sobre estos estados. Varios tipos tienen importancia tecnológica, por ejemplo, en las pantallas de cristal líquido.
Magnéticamente ordenados
Los átomos de metales de transición suelen tener momentos magnéticos debido al espín neto de los electrones que permanecen no apareados y no forman enlaces químicos. En algunos sólidos los momentos magnéticos de los diferentes átomos están ordenados y pueden formar un ferromagneto, un antiferromagneto o un ferrimagneto.
En un ferromagneto -por ejemplo, el hierro sólido- el momento magnético de cada átomo está alineado en la misma dirección (dentro de un dominio magnético). Si los dominios también están alineados, el sólido es un imán permanente, que es magnético incluso en ausencia de un campo magnético externo. La magnetización desaparece cuando el imán se calienta hasta el punto de Curie, que para el hierro es de 768 °C.
Un antiferromagneto tiene dos redes de momentos magnéticos iguales y opuestos, que se anulan mutuamente para que la magnetización neta sea cero. Por ejemplo, en el óxido de níquel(II) (NiO), la mitad de los átomos de níquel tienen momentos alineados en una dirección y la otra mitad en la dirección opuesta.
En un ferrimagneto, las dos redes de momentos magnéticos son opuestas pero desiguales, por lo que la cancelación es incompleta y hay una magnetización neta no nula. Un ejemplo es la magnetita (Fe3O4), que contiene iones Fe2+ y Fe3+ con momentos magnéticos diferentes.
Notas y referencias
- 2005-06-22, MIT News: Los físicos del MIT crean una nueva forma de materia Citat: «… Se han convertido en los primeros en crear un nuevo tipo de materia, un gas de átomos que muestra superfluidez a alta temperatura.»
- 2003-10-10, Science Daily: Metallic Phase For Bosons Implies New State Of Matter
- 2004-01-15, ScienceDaily: Probable descubrimiento de una nueva fase supersólida de la materia Citat: «…Aparentemente hemos observado, por primera vez, un material sólido con las características de un superfluido… pero debido a que todas sus partículas se encuentran en un estado cuántico idéntico, sigue siendo un sólido aunque las partículas que lo componen fluyan continuamente…»
- 2004-01-29, ScienceDaily: Científicos del NIST/Universidad de Colorado crean una nueva forma de materia: Un condensado fermiónico
- Vídeos cortos de demostración de los estados de la materia, sólidos, líquidos y gaseosos por el profesor J M Murrell, Universidad de Sussex