De joven, recuerdo haber visto asombrado como hervía el agua en una

cacerola. Al buscar la explicación de por qué se formaban las burbujas, creí

por un tiempo que el movimiento del agua calentada llevaba aire hacia el

fondo de la cacerola que después se elevaba en forma de burbujas a la

superficie. No sabía que lo que estaba pasando era aún más mágico de lo

que imaginaba: las burbujas no eran de aire, en realidad eran agua en

forma de gas.

Los diferentes estados de la materia han confundido a la gente durante

mucho tiempo. Los antiguos griegos fueron los primeros en identificar tres

clases (lo que hoy llamamos estados) de materia, basados en sus

observaciones del agua. Pero estos mismos griegos, en particular el filósofo

Thales (624 - 545 BC), sugirió, incorrectametne, que puesto que el agua

podía existir como unelemento sólido, líquido, o hasta gaseoso bajo

condiciones naturales, debía ser el único y principal elemento en

el universo de donde surgía el resto de sustancias. Hoy sabemos que el

agua no es la sustancia fundamental del universo, en realidad, no es ni

siquiera un elemento.

Para entender los diferentes estados en los que la materia existe, es

necesario entender algo llamado Teoría Molecular Kinética de la Materia.

La Teoría Molecular Kinética tiene muchas partes, pero aquí introduciremos

sólo algunas. Uno de los conceptos básicos de la teoría argumenta que los

átomos y moléculas poseen unaenergía de movimiento, que percibimos

como temperatura. En otras palabras, los átomos y moléculas están en

movimiento constante y medimos la energía de estos movimientos como la

temperatura de una sustancia. Mientras más energía hay en una sustancia,

mayor movimiento molecular y mayor la temperatrua percibida.

Consecuentemente, un punto importante es que la cantidad de energía que

tienen los átomos y las moléculas (y por consiguiente la cantidad de

movimiento) influye en su interacción. Al contrario que simples bolas de

billar, muchos átomos y moléculas se atraen entre sí como resultado de

varias fuerzas intermoleculares, como lazos de hidrógenos, fuerzas van der

Waals y otras. Los átomos y moléculas que tienen relativamente pequeñas

cantidades de energía (y movimiento) interactuarán fuertemente entre sí,

mientras que aquellos con relativamente altas cantidades de energía

interactuarán poco, si acaso.

¿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

forman lo que llamamos gas. Resulta que hay varias formas conocidas de

materia, algunas de ellas están detalladas a continuación.

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Los sólidos se forman cuando las fuerzas de atracción

entremoléculas 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 matienen 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. Para ver un ejemplo de esto, pulsar en la siguiente

animación que muestra la estructura molecular de los cristales de hielo.

Solid matter - ice

Una simulación del movimiento molecular dentro de un cristal de hielo.

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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 intermoleculares (tales como los lazos de hidrógeno que

se muestran en la siguiente animación) 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 el ejemplo de animación

siguiente, vemos que el agua líquida está formada de moléculas que

pueden circular libremente, pero que sin embargo, se mantienen cerca una

de otra.

Liquid matter - water

Una simulación del movimiento molecular dentro del agua líquida.

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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 movimiento 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 pueden tener una forma

indefinida.

Gaseous matter - steam

Una simulación del comportamiento de las moléculas de agua, convirtiéndose en estado

gaseoso.

Los sólidos, líquidos y gases son los estados más comunes de la materia

que existen en nuestro planeta. Si quiere comparar los tres estados, pulse

en la siguiente comparación animada . Note las diferencias del movimiento

molecular de lasmoléculas de agua en estos tres estados.

Solid-Liquid-Gas Comparison

NASA/JPL/Caltech

Los plasmas son gases calientes e ionizados. Los plasmas se forman bajo

condiciones de extremadamente 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 plasma 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 condensados B-E son superfluídos gaseosos enfríados a

temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este extraño estado, todos

los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-

quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. Aún más extraño

es que los condensados 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". Para leer más sobre estas fases, visite la

página Phase (Fase) de la Wikipedia, cuyo enlace se encuentra en la

sección Para Seguir Explorando.

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 de fase

entre un estado sólido y líquido y los términos evaporación y condensación

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. La curva de calor siguiente ilustra los cambios

correspondientes en energía (mostrada en calorías) y la temperatura del

agua, a medida que experimenta la transición de fase del estado líquido al

estado gaseoso.

Como puede verse en el gráfico superior, el movimiento de izquierda a

derecha muestra que la temperatura del agua líquida aumenta a medida

que se introduce laenergía (calor). A 100ºC el agua empieza a experimentar

una transición de fase y la temperatura se mantiene constante, aún cuando

se añade energía (la parte plana del gráfico). La energía que se introduce

durante este periodo es la responsable de la separación de

la fuerzas intermoleculares para que las moléculas de agua individuales

puedan “ escapar” hacia el estado gaseoso. Finalmente, una vez que la

transición ha terminado, si se añade más energía al sistema, aumentará

el calor del agua gaseosa o vapor.

Este mismo proceso puede ser visto inversamente, si simplemente miramos

al gráfico superior yendo de la derecha hacia la izquierda. A medida que el

vapor se enfría, el movimiento de las moléculas del agua gaseosa y, por

consiguiente, de la temperatura, disminuirá. Cuando el gas alcanza 100ºC

se perderá más energía del sistema a medida que las fuerzas de atracción

entre las moléculas se reformen. Sin embargo, la temperatura se mantiene

constante durante la transición (la parte plana del gráfico). Finalmente,

cuando la condensación se acaba, la temperatura del líquido empezará a

disminuir a medida que la energía se retira.

Las transiciones de fase son una parte importante del mundo que nos

rodea. Por ejemplo, la energía que se pierde cuando la perspiración se

evapora de la superficie de nuestra piel, le permite a nuestro cuerpo regular

correctamente su temperatura durante los día cálidos. Las transiciones de

fase tienen un importante rol en la geología, influenciando la

formación mineral y, posiblemente, hasta los terremotos. Y quién puede

ignorar la transición de fase que ocurre a aproximadamente -3ºC, cuando la

crema, tal vez con algunas fresas o pedazos de chocolate, empieza a

formar un sólido helado.

Ahora entendemos lo que ocurre en una cacerola con agua hirviendo.

La energía(calor) introducida en el fondo de la cacerola causa una transición

de fase localizada del estado de agua líquida al estado gaseoso. Ya que los

gases son menos densos que los líquidos, esta transición de fase localizada

forma bolsas (o burbujas) de gas que se elevan a la superficie de la

cacerola y que se revientan. Pero la naturaleza es generalmente más

mágica que nuestra imaginación. A pesar de todo lo que sabemos sobre los

estados de la materia y sobre las transiciones de fase, todavía no podemos

predecir dónde las burbujas individuales se formarán en la cacerola de agua

hirviendo.