Naturaleza molecular de la materia: definición, estados, tipos, ejemplos

Las distintas formas que adoptan las diferentes fases de la materia se denomina estado de la materia. La materia de estado más común que es fácilmente observable en la vida diaria es: sólido, líquido, gas y plasma. Hay muchos otros estados que conocemos, como el condensado de Bose-Einstein y la materia degenerada de neutrones, pero estos estados existen solo en condiciones climáticas extremas, como la materia ultrafría o ultradensa. También están presentes otros estados teóricos, como los plasmas de quarks y gluones. Desde etapas tempranas, la diferencia entre los estados de la materia se basa en diferencias cualitativas en las propiedades.

• El estado sólido siempre mantiene un volumen y una forma fijos con las partículas que lo constituyen, que son átomos, moléculas e iones, permaneciendo juntas y fijas en su lugar.
• Mientras que el estado líquido siempre mantiene un volumen fijo pero toma la forma del recipiente. Sus partículas constituyentes permanecen cerca pero se mueven más libremente en comparación con los sólidos.
• En estado gaseoso, tanto la forma como el volumen son variables, adaptándose al recipiente. Sus partículas constituyentes son las más móviles y nunca permanecen fijas en el mismo lugar.
• En estado de plasma, la materia tiene forma y volumen variables, pero también tiene átomos neutros. Contiene una gran cantidad de electrones e iones, ambos pueden moverse libremente. El plasma es también la forma más común de materia visible en el universo.

Estados fundamentales de la materia

Sólidos

En el sólido, las partículas constituyentes (iones, átomos o moléculas) están muy juntas. Las fuerzas entre las partículas son tan fuertes que las partículas no pueden moverse libremente sino que solo pueden vibrar. Como resultado, un sólido tiene una forma estable y definida y un volumen definido. Los sólidos solo pueden cambiar su forma por una fuerza externa, como cuando se rompen o cortan.

En los sólidos cristalinos, las partículas constituyentes están empaquetadas en un orden organizado y un patrón repetitivo. La posición de la siguiente partícula se puede predecir fácilmente. Hay múltiples estructuras cristalinas, y una sustancia puede tener múltiples estructuras. Por ejemplo, el hierro a temperaturas inferiores a 912 °C tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y una estructura cúbica centrada en las caras entre 912 y 1394 °C. El hielo en sí tiene quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a varias temperaturas y presiones. El vidrio es un sólido no cristalino y amorfo. El vidrio y varios otros sólidos no cristalinos y amorfos no tienen un orden de largo alcance y no tienen estados fundamentales de equilibrio térmico; por eso se describen como estados no clásicos de la materia.

Líquido

Un líquido también se llama fluido y tiene una naturaleza casi incompresible, lo que significa que se adapta a la forma de su recipiente pero también retiene el volumen constante y es independiente de la presión. El volumen de un líquido es definitivamente siempre que la presión y la temperatura sean constantes. Cuando la presión está por encima del punto triple de una sustancia y la sustancia se calienta por encima de su punto de fusión, se convierte en líquido. Las fuerzas intermoleculares aún actúan, pero ahora las moléculas tienen suficiente energía para moverse más que en los sólidos y la estructura es móvil. Esta es la razón por la cual el volumen de líquido no es definido y alcanza el volumen del recipiente. La temperatura crítica de un líquido es la temperatura más alta a la que puede existir.

Gas

El gas también entra en la categoría de fluido y es comprimible. El gas no solo toma la forma del contenedor sino que también se expande para llenar todo el contenedor. En el caso de un gas, las moléculas constituyentes tienen suficiente energía cinética para que los efectos de las fuerzas intermoleculares sean pequeños y las distancias intermoleculares sean mucho mayores que el tamaño de la molécula. En el caso de un gas ideal, las fuerzas intermoleculares son cero. Un gas no tiene forma ni volumen definidos, pero ocupan todo el recipiente en el que se almacena. Si calentamos un líquido hasta su punto de ebullición a presión constante, se convierte en gas.

El gas también se llama vapor a una temperatura que está por debajo de su temperatura crítica. Mediante el uso de la compresión sólo se puede licuar un gas incluso sin enfriarlo. El vapor y el líquido pueden existir en equilibrio y, en ese caso, la presión de vapor del líquido es igual a la presión del gas. Un gas cuya temperatura y presión están por encima de la temperatura crítica y la presión crítica, respectivamente, se denomina fluido supercrítico (SCF). Tiene todas las propiedades físicas de un gas, pero su alta densidad es la razón de las propiedades solventes en algunos casos, lo que conduce a muchas aplicaciones útiles en el mundo real.  

Plasma

Al igual que el gas, el plasma tampoco tiene forma ni volumen definidos. Pero a diferencia de los gases, el plasma es eléctricamente conductor, puede producir campos magnéticos y corrientes eléctricas y también responde fuertemente a las fuerzas electromagnéticas. Hay un núcleo que tiene carga positiva y nada en un mar de electrones libres y disociados. Este mar de electrones es la razón por la cual el plasma es capaz de conducir electricidad.

El estado de plasma es muy común en la Tierra, a diferencia de lo que generalmente se piensa que es raro. La mayoría de las personas lo observan en la vida cotidiana y ni siquiera se dan cuenta de esto. Relámpagos, chispas, luces fluorescentes, televisores de plasma son los ejemplos típicos de materia en estado de plasma.

Tipos de fuerzas intermoleculares

Principalmente hay tres tipos de fuerzas intermoleculares. Son las fuerzas de dispersión de London (LDF), los enlaces de hidrógeno y las interacciones dipolo-dipolo. Las moléculas también pueden tener la mezcla de las tres fuerzas a la vez, pero seguro que tienen LDF.

Fuerzas de dispersión de London (LDF): las fuerzas de dispersión de London siempre existen en todo tipo de sustancia. No importa si la sustancia está compuesta de moléculas polares o no polares. La formación de polaridades temporales e instantáneas a través de una molécula da lugar a LDF. Estas polaridades se forman debido a la circulación de electrones. 

Si hay una polaridad instantánea en una molécula, entonces esa molécula puede inducir la polaridad de signo opuesto en una molécula adyacente. Esto da como resultado una serie de fuerzas de atracción entre las moléculas cercanas. Es un hecho bien conocido que las moléculas que tienen pesos moleculares más altos tienen más electrones. Al ser mayor en número, la nube de electrones se vuelve más deformable debido a las cargas cercanas, y esta característica se conoce como polarizabilidad. Esto demuestra que las moléculas que tienen pesos moleculares más altos tienen LDF alto y esto hace que su punto de fusión, punto de ebullición y entalpías de vaporización sean más altos.

Interacciones dipolo-dipolo: Las moléculas que tienen momentos dipolares permanentes debido a la distribución desigual de electrones, experimentan interacciones dipolo-dipolo. Debido a la distribución desigual de electrones, un lado de la molécula se vuelve parcialmente positivo y el otro lado se vuelve parcialmente negativo. Las sustancias que tienen interacciones dipolo-dipolo generalmente tienen un punto de fusión y un punto de ebullición más altos en comparación con las moléculas que solo tienen LDF.

Enlaces de hidrógeno: se forma un dipolo muy fuerte cuando un átomo de hidrógeno se une covalentemente con nitrógeno, oxígeno o flúor. Estos dipolos dan lugar a interacciones dipolo-dipolo, y estas interacciones se denominan enlaces de hidrógeno. El enlace de hidrógeno es un caso especial de interacción dipolo-dipolo.

¿Qué es la teoría cinética?

La teoría que describe completamente el comportamiento de los gases. También supone que el gas está formado por átomos o moléculas que se mueven rápidamente. Como los sólidos son duros, no hay espacio intermolecular en ellos, están muy densamente empaquetados. Estos espacios intermoleculares son más grandes en los líquidos en comparación con los sólidos. En los gases, están muy sueltos debido a los espacios intermoleculares muy altos y aleatorios.

La teoría cinética explica completamente los movimientos aleatorios de estas moléculas de un gas. La teoría cinética explica lo siguiente: Se describe la interpretación de la presión y la temperatura a nivel molecular. Va junto con la teoría de Avogadro y varias leyes de los gases. También explica la capacidad calorífica específica de una variedad de gases.

Naturaleza molecular de la materia

Varios científicos han propuesto muchas hipótesis sobre el comportamiento atómico de la materia. Según estas hipótesis, todo en el universo está formado por átomos. Los átomos no son más que pequeñas partículas que siempre se mueven en algún orden. Se atraen cuando la distancia entre ellos se reduce. Pero cuando se ven obligados a estar muy cerca uno del otro, se arrepienten por tener los mismos cargos.

Una de esas teorías fue propuesta por Dalton, y llegó a conocerse como la teoría molecular de la materia. Esta teoría da como resultado que la materia está formada por moléculas y esas moléculas están formadas por átomos.

• De acuerdo con la ley de Gay Lussac, cuando dos o más gases se combinan químicamente para formar nuevos gases, sus volúmenes están en proporciones de números enteros pequeños.
• Según la ley de Avogadro, todos los gases a la misma temperatura y presión tienen el mismo número de moléculas en volúmenes iguales.
• Todos estos principios son prueba de la naturaleza molecular de los gases. La teoría cinética se basa en la teoría molecular de Dalton.
• La teoría de Dalton fue un éxito porque dijo que la materia está formada por moléculas y éstas están formadas por átomos, y ahora podemos observar la estructura atómica usando un microscopio electrónico.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: Defina la ley de Boyle.

Responder: 

Según la Ley de Boyle, la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen, dado que la temperatura y el número de moles del gas son fijos.

Pregunta 2: ¿Por qué el helio y el hidrógeno no se licuan a temperatura ambiente incluso después de aplicar una presión muy alta?

Responder:

El hidrógeno y el helio tienen una temperatura crítica inferior a la temperatura ambiente. Para la licuefacción del gas, la temperatura debe ser inferior a la temperatura crítica.

Pregunta 3: ¿Qué son las partículas de materia?

Responder:

La materia está formada por partículas elementales en el nivel más fundamental, como los quarks y los leptones. Esta clase de partículas elementales también incluye electrones. Los quarks se fusionan en protones y neutrones y forman átomos de los elementos de la tabla periódica, como hidrógeno, oxígeno y hierro, junto con electrones.

Pregunta 4: ¿Cuál es el significado de la Ley de Avogadro?

Responder:

La ley de Avogadro es la relación entre el volumen y la cantidad de gases. Es útil para ahorrar dinero y tiempo a largo plazo. Por ejemplo, para la producción de biodiesel y celdas de combustible, podemos usar metanol, que es un compuesto. Conociendo la presión y la temperatura podemos saber la masa molar durante la síntesis industrial del metanol.

Pregunta 5: ¿Por qué son importantes los tres estados de la materia?

Responder:

Los tres tipos de materia son sólidos, líquidos y gases. Una comprensión completa de la naturaleza de las partículas de la materia es vital. ‘Pequeños pedacitos sólidos’ o ‘pequeñas gotas líquidas’, no forman la materia, sino que lo que forma la materia son átomos y moléculas. Estos átomos y moléculas determinan las características físicas y químicas de la materia.