LA MATERIA Y ESTADOS DE LA MATERIA

Los primeros humanos distinguen fácilmente entre los materiales para hacer ropa, instrumentos o bienes para alimentarse. Ellos desarrollaron un lenguaje con palabras que describían estas cosas, tales como "piel", "piedra" o "conejo". Sin embargo, ellos no tenían nuestro actual conocimiento sobre las sustancias que componen estos objetos.

Empédocles, un filósofo y científico griego que vivió en la costa sur de Silicia, entre los años 492 y 432 AC, propuso una de las primeras teorías que intentaba describir las cosas que nos rodean. Empédocles argumentó que toda materia se compone de cuatro elementos: fuego, aire, agua y tierra. La proporción de estos cuatro elementos afecta las propiedades de la materia. La teoría de Empédocles era muy estimada, pero tenía varios problemas. Por ejemplo, no importa cuántas veces se rompe una piedra en dos, las piezas nunca se parecen a ninguno de los elementos esenciales del fuego, del aire, del agua o de la tierra. A pesar de estos problemas, la teoría de Empédocles fue desarrollo importante del pensamiento científico ya que es una de las primeras en sugerir que algunas sustancias que parecían materiales puros, como la piedra, en realidad se componen de una combinación de diferentes elementos.

460 al 370 AC, se desarrolló una nueva teoría de la materia que trataba de resolver el problema de su predecesor. Las ideas de Demócrito se basaban en el razonamiento, en vez de basarse en la ciencia, y se basó en las enseñanzas de los filósofos griegos que vinieron antes que él: Leucippos y Anaxagoras. Demócrito sabía que si uno toma un piedra y la corta en dos, cada mitad tiene las mismas propiedades que la piedra original. El infirió que si uno continúa cortando la piedra en piezas cada vez más pequeñas, llega un momento en que el pedazo de piedra es tan pequeño que no se lo puede dividir más. Demócrito llamó a estos pequeños pedazos infinitesimales átomos, lo que quiere decir "indivisibles". Sugirió que los átomos eran específicos al material que los formaban. Esto quiere decir que los átomos de piedra eran propios a la piedra y diferentes de los átomos de otros materiales, tales como la piel. Esta era una extraordinaria teoría que intentaba explicar todo el mundo físico en términos de unas cuantas ideas.

Átomos

Una simple unidad de un elemento se denomina átomo. El átomo es la unidad más básica de la materia que compone todo lo que nos rodea. Cada átomo retiene todas las propiedades químicas y físicas de su elemento matriz. Al final del siglo 19, los científico demostraron que los átomos en realidad estaban compuestos de piezas "sub-atómicas" pequeñas.

¿Cómo se producen estos diferentes estados de la materia?. Los átomos que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a "encerrarse" y no interactuar con otros átomos. Por consiguiente, colectivamente, estos átomos forman una sustancia dura,lo que llamamos un sólido. Los átomos que poseen mucha energía se mueven libremente, volando en un espacio y formando lo que llamamos gas. Resulta que hay varias formas conocidas de materia, algunas de ellas están detalladas a continuación.

Los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción entre moléculas indivisibles son mayores que la energía que causa que se separen. Las moléculas individuales son mayores que la energía que causa que se separen. Las moléculas individuales se encierran en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse. Aunque los átomos y moléculas de los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una energía vibracional y las moléculas individuales se mantienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras. A medida que la temperatura de un sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí. La siguiente imagen muestra la estructura molecular de los cristales de hielo.

Los líquidos se forman cuando la energía (usualmente en forma de calor) de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe. Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca, como los sólidos. Usualmente, en los líquidos las fuerzas inermoleculares unen las moléculas que seguidamente se rompen. A medida que la temperatura de un líquido aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también aumenta. Como resultado, los líquidos pueden "circular" para tomar la forma de su contenedor pero no pueden ser fácilmente comprimidas porque las moléculas ya están muy unidas. Por consiguiente, los líquidos tienen una forma indefinida, pero un volumen definido. En la siguiente imagen vemos que el agua líquida está formada de moléculas que pueden circular libremente, pero que sin embargo, se mantienen cerca una de otra.

Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de movimientos de las moléculas individuales aumenta. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso, los gases pueden ser fácilmente comprimidos y puedan tener una forma indefinida.

Los sólidos, líquidos y gases son los estados más comunes de la materia que existen en nuestro planeta.

Los plasmas son gases calientes e ionizados. Los plasmas se forman bajo condiciones de extremamente alta energía, tan alta, en realidad, que las moléculas se separan violentamente y sólo existen átomos sueltos. Más sorprendente aún, los plasmas tienen tanta energía que los electrones exteriores son violentamente separados de los átomos individuales, formando así un gas de iones altamente cargados y energéticos. Debido a que los átomos en los plasmas existen como iones cargados, los plasmas se comportan de manera diferente que los gases y forman el cuarto estado de la materia. Los plasmas pueden ser percibidos simplemente al mirar para arriba; las condiciones de alta energía que existen en las estrellas, tales como el sol, empujan a los átomos individuales al estado de plasma.

Como hemos visto, el aumento de energía lleva a mayor movimiento molecular. A la inversa, la energía que disminuye lleva a menor movimiento molecular. Como resultado, una predicción de la Teoría Kinética molecular es que si se disminuye la energía (medida como temperatura) de una sustancia, llegaremos a un punto en que todo el movimiento molecular se detiene. La temperatura en la cual el movimiento molecular se detiene se llama cero absoluto y se calcula que es de 273.15 grados celsius. Aunque los científicos han enfríado sustancias hasta llegar cerca del cero absoluto, nunca han podido llegar a esta temperatura. La dificultad en observar una sustancia a una temperatura de cero absoluto es que para poder "ver" la sustancia se necesita luz y la luz transfiere energía a la sustancia, lo cual eleva la temperatura. A pesar de estos desafíos, los científicos han observado, recientemente, un quinto estado de la materia que sólo existe a temperaturas muy cercanas al cero absoluto.

Los Condensados Bose-Einstein representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensadores B-E son superfluídos gaseosos enfríados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este extraño estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. Aún más extraño es que los condensadores B-E pueden "atrapar" luz, para después soltarla cuando el estado se rompe.

También han sido descritos o vistos varios otros estados de la materia menos comunes. Algunos de estos estados incluyen cristales líquidos, condensados fermiónicos, superfluídos, supersólidos y el correctamente denominado "extraña materia".

TRANSICIONES DE FASE

La transformación de un estado de la materia a otro se denomina transición de fase. Las transiciones de fase más comunes tienen hasta nombre. Por ejemplo, los términos derretir y congelar describen transiciones entre el estado líquido y gaseoso. Las transiciones de fase ocurren en momentos muy precisos, cuando la energía (medida en temperatura) de una sustancia de un estado, excede la energía permitida en ese estado. Por ejemplo, el agua líquida puede existir a diferentes niveles de temperatura. El agua fría para beber puede estar alrededor de 4ºC. El agua caliente para la ducha tiene más energía y, por lo tanto, puede estar alrededor de 40ºC. Sin embargo, a 100ºC en condiciones normales, el agua empezará una transición de fase y pasará a un estado gaseoso. Por consiguiente, no importa cuán alta es la llama de la cocina, el agua hirviendo en una cacerola se mantendrá a 100ºC hasta que toda el agua haya experimentado la transición al estado gaseoso. El exceso de energía introducido por la alta llama acelerará la transición de líquido al gas; pero no cambiará la temperatura.

EQUILIBRIO QUÍMICO

El equilibrio se refiere a aquel estado de un sistema en el cual no se produce ningún cambio neto adicional. Cuando A y B reaccionan para formar C y D a la misma velocidad en que en que C y D reaccionan para formar A y B, el sistema se encuentra en equilibrio.

Ejemplo:

La reacción entre H2 y N2 para formar NH3

3H2 (g) + N2 (g) Û 2NH3 (g)

Este es uno de los equilibrios mas importantes que se conocen debido a que se utiliza para capturar nitrógeno de la atmósfera en una forma que se pueda utilizar para fabricar fertilizantes y muchos otros productos químicos.

La reacción entre SO2 y O2 para formar SO3

2SO2 (g) + O2 (g) Û 2SO3 (g)