Los estados de la materia, también conocidos como estados de agregación de la materia, son las distintas formas en que se presenta la materia en el universo conocido. La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. Los distintos estados de agregación de la materia aparecen según la intensidad de las fuerzas de interacción entre las partículas que componen dicha materia. La temperatura y la presión son los factores que determinan cómo se agregan o agrupan las partículas para formar los distintos estados de agregación. Estos estados (sólido, líquido o gaseoso) obedecen fundamentalmente a la energía cinética o energía de movimiento de las moléculas que conforman dicha materia y a la forma de agregación de las mismas.
Los Estados Clásicos de la Materia
Existen tres estados clásicos de la materia que son los más fácilmente observables en circunstancias cotidianas: sólido, líquido y gaseoso.
Estado Sólido
En un sólido, las partículas se mantienen juntas de manera ordenada, con escasa libertad de movimiento. Las partículas que forman las sustancias sólidas tienen gran cohesión, es decir, fuerzas de atracción que mantienen unidas a las partículas que forman una sustancia. Los átomos de la materia sólida están muy juntos, por lo que tienen forma y volumen fijos. Los sólidos no se pueden comprimir; sin embargo, las altas temperaturas aumentan la vibración de sus partículas, haciendo que se dilaten ligeramente. Los sólidos tienen memoria de forma, por lo que si se deforman, tienden a volver a su forma original.
Estado Líquido
Las partículas que forman las sustancias líquidas tienen una cohesión intermedia entre las sólidas y las gaseosas. Los líquidos tienen volumen fijo, pero sus átomos están menos cohesionados que los de los sólidos, por lo que su forma es variable; en consecuencia, asumen la forma de la superficie o el contenedor en que se encuentran. Los líquidos son bastante incompresibles. En los líquidos, las partículas tampoco ocupan posiciones fijas, están desordenadas, aunque menos que los gases, y se mueven al azar, igual que en los gases, pero con menor intensidad.
Estado Gaseoso
Los gases difieren de los líquidos y sólidos en la distancia que existe entre las partículas individuales que los conforman. Las partículas que forman las sustancias gaseosas no están cohesionadas y se dispersan muy fácilmente. Sus partículas no están cohesionadas, y tienden a dispersarse, por lo que no tienen forma ni volumen fijos. Como los líquidos, su forma dependerá del contenedor, pero a diferencia de aquellos, los gases ocupan absolutamente todo el espacio disponible en el contenedor. En los gases, las partículas están bastante alejadas en comparación con su tamaño. La distancia media aproximada entre partículas, en condiciones normales, es diez veces el tamaño de la partícula. En los gases, las partículas no ocupan posiciones fijas, están desordenadas y se mueven al azar vibrando, rotando y trasladándose en todas direcciones.
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El Agua como Ejemplo
Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados. Tal es el caso del agua que, como vimos anteriormente cuando analizamos los niveles macroscópicos y microscópicos de la materia, es líquida a temperaturas moderadas, sólida a temperaturas más bajas y gaseosa como vapor cuando hierve a temperaturas mayores. El agua se presenta naturalmente en estado líquido, pero basta enfriarla lo suficiente (alcanzar el punto de congelación; es decir, una temperatura de 0 ºC) para que pase a estado sólido (conocido como hielo), o calentarla lo suficiente (alcanzar el punto de ebullición; es decir, una temperatura cercana a los 100 ºC) para que se convierta en vapor de agua (estado gaseoso).
El Modelo Cinético Molecular
Para comprender el comportamiento de la materia en sus diferentes estados, es fundamental el modelo cinético particular o corpuscular. Este modelo postula que toda la materia está formada por partículas y entre ellas el espacio está vacío, es decir, entre ellas no hay nada. Son tan pequeñas que no pueden verse con el microscopio más potente. Las partículas están en continuo movimiento intrínseco, llamado agitación térmica, el cual puede ser de traslación, de rotación y vibración. El movimiento tiende a desordenar las partículas y es responsable de la disgregación de la materia. La temperatura está relacionada con el movimiento intrínseco de las partículas.
Además, las partículas están sujetas a interacciones o fuerzas de cohesión con otras. Estas fuerzas pueden ser fuertes, débiles y extremadamente débiles, prácticamente inexistentes. Las fuerzas de cohesión tienden a ordenar las partículas en determinadas posiciones, contrarrestando el movimiento que busca desordenarlas.
Otros Estados de la Materia
Existen muchos otros estados de la materia más allá de los tres clásicos. La mayoría de ellos solo son posibles en circunstancias muy extremas o controladas (en laboratorio, en condiciones muy específicas del mundo exterior, etc.), o incluso solo se han manifestado de manera teórica. Algunos de estos estados se consideran casi variaciones de los estados principales.
Estado Plasmático
El estado plasmático se caracteriza por ser similar al estado gaseoso, pero con la particularidad de que las partículas que lo forman están eléctricamente cargadas. Por esta razón, el plasma se puede considerar como un gas ionizado.
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Condensado de Bose-Einstein
El condensado de Bose-Einstein se genera a temperaturas muy cercanas al 0 K (Kelvin), también conocido como cero absoluto y considerado la temperatura más baja posible. Solo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación. Es un estado de la materia que puede darse en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto. El condensado no tiene análogo clásico y se le considera el quinto estado de la materia. Este estado había sido predicho por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose en 1927.
Condensado Fermiónico
El condensado Fermiónico se produce a temperaturas aproximadas a la del cero absoluto y presenta superfluidez. Solo las partículas fermiónicas pueden tener este estado de agregación.
Cambios de Estado de Agregación
La materia cambia de estado gracias a variaciones de temperatura y presión. Los cambios de estado de agregación son las transformaciones que sufre la materia entre los distintos estados de agregación, sin que ocurran cambios en su composición.
- Fusión: Es la transformación del estado sólido al líquido.
- Solidificación o Congelación: Es el proceso inverso a la fusión, donde la materia pasa del estado líquido al sólido.
- Ebullición y Evaporación: La evaporación es la transformación del estado líquido al gaseoso cuando se le aplica suficiente calor al líquido como para que rompa su tensión superficial. La ebullición es una forma de evaporación más vigorosa que ocurre a una temperatura específica (punto de ebullición) en toda la masa del líquido.
- Condensación: Es el paso de la materia del estado gaseoso al líquido.
- Sublimación: Es la transformación del estado sólido al gaseoso sin pasar previamente por el estado líquido. El proceso de sublimación, en general, es más raro de observar en circunstancias naturales, pero en el caso del agua puede observarse en el hielo seco.
- Sublimación inversa o Deposición: Es la transformación del estado gaseoso al sólido sin pasar previamente por el estado líquido.
Para mayor claridad, la siguiente tabla resume los principales cambios de estado:
| Cambio de Estado | De | A |
|---|---|---|
| Fusión | Sólido | Líquido |
| Solidificación / Congelación | Líquido | Sólido |
| Evaporación / Ebullición | Líquido | Gaseoso |
| Condensación | Gaseoso | Líquido |
| Sublimación | Sólido | Gaseoso |
| Sublimación inversa / Deposición | Gaseoso | Sólido |
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