Unidad Didáctica: La materia y sus transformaciones

LOS CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA

LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA

La materia que nos rodea se presenta en tres estados o fases:

➔ Líquida, como el agua de un río o del mar, el agua que bebemos, la sangre, una bebida y otros.

➔ Sólida, como una piedra, un trozo de madera, un lápiz, un juguete y otros.

➔ Gaseosa, como el aire, el oxígeno, el helio, el vapor de agua y otros.

Pero, ¿puede un mismo tipo de materia presentarse en los tres estados? Sí, el ejemplo más cercano lo tenemos en el agua, que puede estar en estado sólido (hielo, nieve), en estado líquido (mar, río, lago, agua potable) y gaseoso (vapor de agua).

Características de la materia en estado sólidoUn sólido es una sustancia formada por moléculas que se encuentran estrechamente unidas entre sí mediante una fuerza llamada fuerza de cohesión. Esto hace que las particulas estén muy unidas y den a la sustancia un aspecto de dureza y de rigidez.

Los sólidos son duros y presentan dificultad para comprimirse. Esto se explica porque las moléculas que los forman están tan cerca, que no dejan espacios entre sí. Si miras a tu alrededor, notarás que todos los sólidos tienen una forma definida. Esta característica se mantiene, salvo que actúe sobre ellos una fuerza tan grande que los deforme.

La mayoría de los sólidos no se pueden comprimir. Pero conviene indicar un par de precisiones:

➔ Algunos sólidos sí se pueden comprimir, pero vuelven pronto a su forma original, por ejemplo, una esponja.

➔ Y otros también son deformables a simple vista, son elásticos. Si se les deforma, vuelven a su forma inicial. Por ejemplo, un resorte, un elástico, una varilla y otros.

Algunos sólidos son frágiles, se les puede romper en pedazos, pero cada pedazo conserva las características generales de un sólido. Su naturaleza no se modifica. Otros sólidos son menos frágiles y pueden soportar grandes tensiones. Suele decirse, por ejemplo, que el

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diamante es la sustancia material más dura que existe. Lo sea o no, este es un sólido que no es frágil. Un trozo de acero, una piedra y otros objetos, también puede considerarse sólidos no frágiles.

Los sólidos no fluyen. Es decir, si ante una abertura colocamos objetos sólidos y alguno de ellos la obstruye, los demás no fluirán. Sí es cierto que es posible considerar que algunos sólidos fluyen. Para ello es indispensable que la abertura por donde lo harán no sea de menor tamaño que la más grande de las partes sólidas. Un buen ejemplo de esto se tiene en los camiones que transportan granos (maíz, arroz u otros), éstos los vacían por medio de un sistema de tuberías, casi igual que un líquido, pero son casos muy especiales. También en los silos se travasija granos como si fuera un líquido.

Si agrupas sobre una mesa una goma elástica, un vidrio, un trozo de plastilina, una piedra, un plato y una cuchara, podrás decir que todos estos objetos son sólidos; sin embargo, cada uno de ellos es diferente del otro.

Estas diferencias pueden explicarse debido a que los cuerpos sólidos presentan propiedades características, en mayor o menor grado, como las siguientes:

➔ Elasticidad. Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un elástico o un resorte son objetos en los que podemos observar esta propiedad. Estira una goma y observa lo que sucede.

➔ Fragilidad. Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo). Por ejemplo, seguro que has visto como se rompe un vaso de vidrio o un plato en la cocina. Estos hechos representan la fragilidad de un sólido.

➔ Dureza. Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante de una joya valiosa o el utilizado para cortar vidrios presentan dicha propiedad.

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Características de la materia en estado líquidoUn líquido es una sustancia formada por moléculas que están en constante movimiento de desplazamiento y que se deslizan unas sobre las otras. La disposición de estas moléculas le da un aspecto de fluidez con la que frecuentemente se les asocia.

¿A qué se debe que los líquidos cambien de forma? Si aplicas fuerza sobre la superficie del agua de una cubeta, observarás que ésta pierde su aspecto inmóvil y que puedes distinguir su movimiento a través de la formación de ondas en la superficie. Los

líquidos son fluidos porque no tienen forma propia, sino que adoptan la forma del recipiente que los contiene. Por ejemplo, si echas igual cantidad de un líquido en un tubo de ensayo, a un plato o en una botella, éstos adoptarán la forma de cada uno de estos objetos. Si observas algunos líquidos notarás que ninguno de ellos tiene forma definida y que, al igual que los sólidos tampoco pueden comprimirse. Si intentas comprimir el agua de la cubeta notarás que se escurre hacia los lados, pero que no disminuye su volumen. De hecho esta propiedad de los líquidos se aprovecha en algunos sistemas de freno de vehículos al utilizar un líquido especial, el llamado líquido de freno, precisamente por esta dificultad a ser comprimido.

Un líquido sí puede fluir. Basta un pequeño orificio en un recipiente que contiene un líquido para que salga fluyendo por él.

Algunos líquidos pueden mezclarse en sí, por ejemplo el agua con alcohol etílico, pero otros no pueden hacerlo: agua con aceite es un buen ejemplo en este último caso.

Los líquidos, al igual que los sólidos, presentan propiedades específicas entre las cuales se pueden mencionar:

➔ Volatilidad. Es decir, facilidad para evaporarse. Esta propiedad se aprecia claramente al dejar abierto un frasco con alcohol, en que se percibe su olor y disminuye el volumen.

➔ Viscosidad. Es decir, dificultad al escurrimiento. ¿Has dado vuelta alguna vez una botella de aceite o, tal vez, has echado aceite al motor de un vehículo? ¿Observas lo mismo al derramar un vaso de agua? La diferencia en la observación se debe a la viscosidad.

Estas propiedades se presentan en mayor o menor grado en todos los líquidos. Los perfumes, la bencina y la parafina son líquidos volátiles. La miel y la leche condensada son líquidos viscosos.

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Características de la materia en estado gaseosoUn gas es una sustancia formada por moléculas que se encuentran separadas entre sí. Esta disposición molecular le permite tener movilidad, por lo que no posee forma propia. En él la fuerza de cohesión es nula y ha sido remplazada por la fuerza de repulsión entre las moléculas.

¿Por qué los gases no poseen forma propia? Los gases no poseen forma propia, porque las moléculas que los forman se desplazan en todas direcciones y a gran velocidad; por esta razón los gases ocupan grandes espacios. El olor a comida

que se prepara en la cocina se esparce por toda la casa con rapidez, porque las moléculas tienden a ocupar todo el espacio disponible.

¿Por qué los gases pueden comprimirse? Los gases pueden comprimirse debido a la disposición separada de las moléculas que los compone. Si aplicas una fuerza intensa al émbolo de una jeringa con aire y tapas con el dedo su extremo anterior, notarás que el espacio ocupado por el gas disminuye. Esto se debe a que las moléculas se acercan entre sí y ocupan un menor espacio, el cual depende de la magnitud de la fuerza aplicada.

Los gases fluyen fácilmente por el más pequeño orificio que encuentren.

Los gases se pueden mezclar entre sí.

Se comprimen con gran facilidad. Cuando un gas se comprime, su volumen disminuye, es decir, los gases tampoco mantienen su volumen.

Y son trasparentes.

LOS PROCESOS DE LOS CAMBIOS DE ESTADO

Hay experiencias cotidianas relacinadas con lso procesos de los cambios de estado. Por ejemplo:

➔ Si colocas agua en una olla y la calientes, el agua terminará evaporándose.

➔ Si sacas un cubo de hielo de la nevera y lo metes en un vaso lleno de bebida, terminará derritiéndose.

➔ Si colocas una bebida en el congelador, el líquido se congelará y se pondrá en estado sólido.

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Pero, ¿cómo es posible que ocurran estas modificaciones en el estado de la materia?. Esta es la explicación.

Cuando calientas un trozo de hielo y luego se derrite (se funde), en realidad estás proporcionando energía térmica al hielo. El hielo absorbe esa energía térmica... Cuando el hielo recibe energía térmica sus moléculas se empiezan a separar. Y llegará un momento en que la cohesión con que siguen ligadas es suficientemente débil para que pierda esa consistencia que le caracterizaba al estar en estado sólido.

Cuando se calienta agua y ésta se evapora, se le está proporcionando energía térmica al agua. El agua absorbe esa energía. Al igual que el caso anterior, en el agua líquida, al recibir energía térmica, sus moléculas se separan aún más y llegará un momento en que la cohesión entre moléculas será tan débil que habrá moléculas que escaparán y se espacirán en el ambiente. En ese momento, el agua líquida se convierte en gas de agua o vapor de agua.

Cuando enfriamos agua para que se congele (se solidifique), le estamos quitando energía térmica al agua. El agua está cediendo energía. En este momento, las moléculas de agua líquida pierden movilidad y las fuerzas de cohesión entre ellas va en aumento, lográndose finalmente la estructura cristalina que le da su naturaleza sólida. En el caso de que moléculas de un gas, de vapor de agua, por ejemplo, cedan energía térmica al ambiente, o a otro cuerpo, también perderán movilidad y empezarán a juntarse entre sí, dando origen a pequeñas gotitas de agua. Esto es la condensación, el paso de vapor de agua al estado líquido.

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Luego, los cambios de estado de una materia se deben o bien a que absorbe o bien a que cede energía térmica. Pero ¿siempre que un cuerpo absorbe, o cede, energía térmica cambia de estado? No. Rotundamente no.

En general si un cuerpo absorbe energía térmica sólo aumenta la temperatura que tiene. Y si la cede, sólo disminuirá su temperatura.

Pero hay ciertos valores de temperaturas, para cada tipo de materia, en donde sí se puede producir un proceso de cambio de estado. En el caso del agua, a nivel del mar, se solidifica sólo a 0 grados C., el hielo se funde sólo a 0 grados C., el agua se evapora a 100 grados C. o el vapor de agua se condensa (se vuelve líquida) a 100 grados C.

Estas temperaturas especiales reciben nombres especiales:

➔ La temperatura en que una sustancia se fusiona, o solidifica, se llama temperatura de fusión o, más usualmente, punto de fusión.

➔ La temperatura en que una sustancia se evapora, o condensa, es llamada temperatura de ebullición, o punto de ebullición.

Para el agua son 0 y 100 grados C. respectivamente, pero para otras sustancias hay otros valores diferentes específicos para ellas.

LOS CAMBIOS DE ESTADO DEL AGUA

Como ya hemos visto, el agua puede cambiar de un estado a otro dependiendo de su temperatura. Cada cambio de estado recibe un nombre.

➔ Fusión. Es el paso de sólido a líquido, como ocurre cuando el hielo se transforma en agua líquida. Esto se produce al calentar la materia sólida. Cada materia funde a una temperatura característica, que se llama temperatura de fusión.

➔ Evaporación o vaporización. Es el paso de líquido a gas, y ocurre a cualquier temperatura, como cuando se seca la ropa tendida. La ebullición es un caso especial de evaporación, ya que el paso de líquido a gas se produce a una temperatura determinada y en toda la masa del líquido, como por ejemplo, cuando hierve el agua en un cazo.

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➔ Condensación. Es el paso de gas a líquido. Ocurre al descender la temperatura. Por ejemplo, cuando el vapor de agua se transforma en gotitas de agua líquida en la tapa de un cazo.

➔ Solidificación. Es el paso de líquido a sólido. Se produce por un descenso de la temperatura. Sucede, por ejemplo, cuando el agua líquida se transforma en hielo.

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