Los Estados de la Materia

La materia puede presentarse en cuatro estados fundamentales:

  • Sólido
  • Líquido
  • Gaseoso
  • Plasma

El estado específico depende crucialmente de la temperatura y la presión a las que se encuentre la sustancia.

Teoría Cinética de la Materia

La teoría cinética proporciona la explicación fundamental de los estados de la materia, basándose en los siguientes postulados:

  • La materia está formada por partículas muy pequeñas.
  • Estas partículas se encuentran en movimiento continuo.
  • Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de las partículas.

Movimiento según el Estado

El comportamiento de las partículas define el estado:

  • Sólido: Partículas muy juntas, solo vibran.
  • Líquido: Partículas juntas, pero pueden deslizarse unas sobre otras.
  • Gas: Partículas muy separadas, se mueven libremente.
  • Plasma: Partículas con muchísima energía y cargadas eléctricamente.

👉 Energía cinética (orden de mayor a menor):

Plasma > Gas > Líquido > Sólido

Densidad y Estados

La densidad se define como la relación entre masa y volumen ($\rho = m/V$).

  • Sólidos y líquidos: Partículas muy juntas $\rightarrow$ mayor densidad.
  • Gases: Partículas muy separadas $\rightarrow$ menor densidad.

Temperatura y Energía Cinética

La temperatura es la magnitud que mide la energía cinética media de las partículas de un cuerpo.

  • A más energía cinética $\rightarrow$ más temperatura.

Unidades de Temperatura

  • Kelvin (K): Unidad del Sistema Internacional (SI).
  • Grado Celsius (°C): Uso habitual.

Relación entre escalas:

$T (K) = t (°C) + 273.15$ (Usaremos 273 para simplificar, como en el original)

$t (°C) = T (K) – 273$

Ejemplo: $0 \text{ °C} = 273 \text{ K}$

Termómetros

Los termómetros miden la temperatura basándose en la dilatación de una sustancia al calentarse.

Relación con la Teoría Cinética

  • A mayor temperatura, las partículas se mueven más rápido.
  • Esto explica fenómenos como:
    • Mayor difusión de sustancias.
    • Cambios de estado.
    • Aumento de la solubilidad de algunas sustancias (ej. sal).

Cambios de Estado

Para pasar del estado líquido a gas es necesario aportar energía, ya que las partículas deben aumentar su velocidad y separarse.

Cambios de Estado de la Materia

  • Una sustancia cambia de estado (sólido, líquido, gas, plasma) según la temperatura y la presión.
  • Estos cambios son físicos: la naturaleza química de la sustancia no se altera.
    • Ej.: Hielo $\rightarrow$ agua $\rightarrow$ vapor.

Efecto de la Presión

La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire sobre los cuerpos.

  • A mayor altitud, la presión es menor, por lo que el agua hierve a menor temperatura.
    • Ej.: Un huevo se cocina más lento en la cima de una montaña que al nivel del mar.
  • Cambios de estado influenciados por la presión:
    • Aumenta presión $\rightarrow$ cambios que reducen volumen: solidificación, condensación.
    • Disminuye presión $\rightarrow$ cambios que aumentan volumen: fusión, vaporización.

Efecto de la Temperatura

  • Aumentar la temperatura incrementa la energía y velocidad de las partículas.
  • Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante; la energía suministrada se utiliza para romper enlaces intermoleculares, no para aumentar la energía cinética.
  • Evaporación: ocurre a cualquier temperatura en la superficie.
  • Ebullición: ocurre a una temperatura específica (punto de ebullición), dependiente de la presión.

Gráficas de Cambio de Estado

Al graficar temperatura vs. tiempo de calentamiento:

  • Tramos inclinados $\rightarrow$ sustancia (sólida o líquida) se calienta.
  • Tramos horizontales $\rightarrow$ fusión o ebullición (temperatura constante).
  • Tramo final $\rightarrow$ gas se calienta si se sigue suministrando energía.

Calor Latente

Es la energía necesaria para cambiar de estado sin variar la temperatura.

  • Fusión ($L_f$): sólido $\rightarrow$ líquido.
    • $Q = m \cdot L_f$
  • Vaporización ($L_v$): líquido $\rightarrow$ gas.
    • $Q = m \cdot L_v$
  • Condensación (gas $\rightarrow$ líquido): libera energía.

Fusión y Solidificación

  • Punto de fusión: temperatura a la que un sólido se vuelve líquido (a una presión dada, ej. 101325 Pa).
  • La presión influye: menor presión $\rightarrow$ punto de fusión menor (generalmente).

Sublimación y Sublimación Inversa

  • Sublimación: sólido $\rightarrow$ gas sin pasar por líquido. Ej.: hielo seco ($\text{CO}_2$ sólido).
  • Sublimación inversa (Deposición): gas $\rightarrow$ sólido. Ej.: escarcha.

Preguntas Frecuentes sobre Cambios de Estado

1. ¿Qué es un cambio de estado de la materia?

  • Es un proceso físico por el cual una sustancia pasa de un estado a otro (sólido, líquido, gas) sin alterar su naturaleza química.

2. ¿Cómo influye la presión atmosférica en el punto de ebullición del agua?

  • A menor presión (gran altitud), el agua hierve a menor temperatura; a mayor presión (olla rápida), hierve a más de $100 \text{ °C}$.

3. ¿Por qué la temperatura se mantiene constante durante la fusión o la ebullición?

  • Porque la energía suministrada se utiliza para romper las fuerzas de atracción entre partículas y cambiar el estado, no para aumentar la energía cinética (temperatura).

4. ¿Qué es el calor latente de vaporización?

  • Es la cantidad de energía necesaria para que $1 \text{ kg}$ de líquido pase a gas sin cambiar la temperatura: $Q = m \cdot L_v$.

5. ¿Qué sucede con las partículas de un gas al aumentar la temperatura?

  • Se mueven más rápido y su energía cinética aumenta.

6. Diferencia entre evaporación y ebullición:

  • Evaporación: ocurre en la superficie a cualquier temperatura.
  • Ebullición: ocurre en todo el volumen del líquido a una temperatura específica (punto de ebullición).

7. Diferencia entre fusión y solidificación:

  • Fusión: sólido $\rightarrow$ líquido, absorbe energía (calor).
  • Solidificación: líquido $\rightarrow$ sólido, libera energía (calor).

8. Diferencia entre calor latente de fusión y de vaporización:

  • Fusión: energía para pasar de sólido a líquido.
  • Vaporización: energía para pasar de líquido a gas.

9. Diferencia entre efecto de la presión y efecto de la temperatura en los cambios de estado:

  • Presión: determina a qué temperatura ocurre el cambio de estado.
  • Temperatura: determina la energía de las partículas y el momento del cambio de estado.

10. Diferencia entre sublimación y sublimación inversa:

  • Sublimación: sólido $\rightarrow$ gas sin pasar por líquido.
  • Sublimación inversa: gas $\rightarrow$ sólido sin pasar por líquido.

11. Diferencia entre sólido, líquido y gas (a nivel de partículas):

  • Sólido: partículas muy juntas y solo vibran en su lugar.
  • Líquido: partículas próximas y pueden deslizarse unas sobre otras.
  • Gas: partículas muy separadas y se mueven rápidamente.

Repaso Rápido: Conceptos Clave

1. ¿Qué establece la teoría cinética de la materia?

Respuesta: Que la materia está formada por partículas muy pequeñas en movimiento continuo y que su velocidad aumenta con la temperatura.

2. ¿De qué factores depende el estado de la materia?

Respuesta: De la temperatura y la presión.

3. ¿Qué es la temperatura según la teoría cinética?

Respuesta: La energía cinética media de las partículas de un cuerpo.

4. Ordena los estados de la materia de mayor a menor energía cinética.

Respuesta: Plasma $\rightarrow$ gas $\rightarrow$ líquido $\rightarrow$ sólido.

5. ¿Por qué es necesario aportar energía para pasar del estado líquido al gaseoso?

Respuesta: Porque las partículas necesitan más energía cinética para separarse y moverse más rápido.

6. ¿Por qué los sólidos y los líquidos son más densos que los gases?

Respuesta: Porque sus partículas están más juntas.

7. Diferencias entre sólido y líquido.

Respuesta:

  • Sólido: forma y volumen fijos, partículas vibran.
  • Líquido: volumen fijo, forma variable, partículas se deslizan.


8. Diferencia entre líquido y gas

  • Líquido: las partículas están cerca unas de otras.
  • Gas: las partículas están muy separadas y se mueven libremente.

9. Diferencia entre gas y plasma

  • Gas: las partículas son neutras.
  • Plasma: las partículas tienen mucha energía y están cargadas eléctricamente.

10. Diferencia entre temperatura y calor

  • Temperatura: mide la energía cinética promedio.
  • Calor: energía transferida debido a la diferencia de temperatura.

11. Diferencia entre cambios mecánicos y químicos (aplicados al movimiento de la materia)

  • Mecánico: movimiento físico de las partículas (cambio de estado).
  • Químico: cambio en la sustancia (se forman nuevas sustancias).

12. Diferencia entre las escalas Celsius y Kelvin

  • Celsius: usada en la vida diaria.
  • Kelvin: unidad del SI y comienza en el cero absoluto.

13. ¿Qué es la sublimación y da un ejemplo?

  • Es cuando un sólido pasa directamente a gas sin pasar por líquido. Ej.: hielo seco ($\text{CO}_2$ sólido).

14. ¿Qué es la sublimación inversa y da un ejemplo?

  • Es cuando un gas pasa directamente a sólido sin pasar por líquido. Ej.: formación de escarcha.

15. ¿Qué ocurre durante la condensación del vapor de agua?

  • Las partículas pierden energía, se acercan y forman líquido. Ej.: rocío en ventanas o plantas.