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Estados de la materia

En este portal se ha redactado otro artículo vinculado con el tema llamado Fases de la materia. Tal artículo trata el tema centrado en un enfoque químico. En el presente lo haremos desde un punto de vista más vinculado a la Física.

figura 1
Figura 1. Comportamiento cualitativo de un par de moléculas en función de su separación.

Las sustancias que nos rodean aparecen en tres formas físicas conocidas como estados. Entre los rígidos sólidos y los elásticos gases, la materia existe en forma líquida. La forma particular de la materia está determinada finalmente por las fuerzas entre las moléculas, y esta a su vez dependerá de la distancia entre ellas. Si llamamos r a la distancia entre dos moléculas, típicamente la fuerza intermolecular se comporta como se muestra en la figura 1. Note que a pequeñas separaciones la fuerza es  grande y positiva; es fuertemente repulsiva y cambia a fuerza atractiva a una distancia marcada como r0 cuyo valor es aproximadamente igual a 10-10 m. A continuación, y cerca de los 10-10 m la repulsión crece para luego disminuir con tendencia a acercarse a cero a medida que la distancia r crece. La zona de la curva cerca de r0 es casi recta, lo que significa que existe proporcionalidad entre la distancia intermolecular y la fuerza de interacción entre ellas de modo que el valor de la fuerza F se puede expresar como:

F = k (r - r0)     ecuación 1

La ecuación 1 es idéntica a la que caracteriza el comportamiento de la fuerza de restauración de un resorte cuando una fuerza de corta duración altera su longitud de reposo y que conduce al movimiento oscilatorio característico de estos.

Gases

Cuando las moléculas como promedio están suficientemente apartadas, la fuerza entre ellas corresponde a la zona de grandes valores de r en la figura 1, la fuerza de interacción intermolecular es muy pequeña y estamos en presencia de un gas. En realidad la interacción molecular efectiva se produce solamente cuando las moléculas chocan ocasionalmente. Los grandes espacios intermoleculares y las débiles fuerzas entre las moléculas hacen que los gases sean fáciles de comprimir y que la forma del cuerpo de un gas se pueda modificar con facilidad.

Sólido

sólido típico
Figura 2. Estructura reticular de un sólido típico


Si las moléculas están suficientemente cercanas, de manera que las fuerzas entre moléculas vecinas sea significativa, la materia toma una forma definida por la naturaleza de las moléculas y por las particularidades de las fuerzas. En ciertas situaciones las moléculas interactúan de modo que las fuerzas entre ellas producen que estas se organicen en una estructura reticular repetitiva denominada cristal, que es un entramado tridimensional en el cual las moléculas, o los átomos, parecen estar conectados por enlaces rígidos con muy poca libertad de movimiento relativo y solo sufren pequeños desplazamientos (figura 2). Esta última estructura es la de un sólido típico, es decir una estructura que se opone tenazmente a las fuerzas que tienden a deformarla haciendo que el cuerpo tenga forma propia.

En el tema Naturaleza de los sólidos se brindan más detalles relativos a este estado de la materia.

Líquidos

En los líquidos las moléculas están cercanas y las fuerzas intermoleculares son fuertes, pero no tanto como para producir que se organicen de forma cristalina. En estos conjuntos de moléculas la resistencia a la deformación no existe, pero a diferencia con los gases, la corta distancia entre las moléculas produce grandes fuerzas repulsivas que le proporcionan una elevada resistencia a la compresión. Como la resistencia a la deformación no existe, el líquido es completamente deformable y por ello toma la forma del recipiente que lo contiene.

Es importante recalcar aquí que la distinción entre las tres formas de materia no es absoluta, y aunque las fuerzas intermoleculares sean suficientemente altas, incluso un cuerpo de metal o una roca pueden fluir como líquido si se aplica una fuerza deformadora de magnitud suficiente. Los gases, aunque compresibles, comparten muchas propiedades con los líquidos. Adicionalmente, la forma que adquiere un conjunto de moléculas depende de las condiciones externas, así el agua está sólida a bajas temperaturas pero pasa a líquida a 0ºC y a gas a 100ºC. A estas formas diferentes en las que puede manifestarse la materia en dependencia de las circunstancias externas se les llama fases.

A temperaturas muy elevadas las moléculas pueden disociarse en átomos, y estos a su vez se pueden disociar en electrones cargados negativamente e iones cargados positivamente, y en este caso la materia tiene propiedades muy diferentes debido a que la interacción de las cargas eléctricas de los constituyentes juegan un papel muy importante. Cuando la materia está disociada en electrones e iones cargados positivamente se le llama plasma.



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