Estados De Agregación De La Materia

2_A ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA – GASES

2. Estados de la Materia 2.1 Estado Sólido 2.2 Estado Líquido

2.3 Plasma 2.4 Condensado de Bose-Einstein

2.5 ESTADO GASEOSO 2.5.1 Propiedades de los gases

2.5.2 Análisis de variables 2.5.3 Teoría Cinético Molecular 2.5.4 Leyes de los Gases

2.5.5 Ecuación general de los Gases Ideales 2.5.6 Estequiometría de Gases

2. ESTADOS DE LA MATERIA.- La Materia se presenta básicamente en tres estados, los cuales son: sólido, líquido y gaseoso. En la siguiente tabla se presentan algunas características físicas de dichos estados de agregación.

Tabla 2.1

Estado de Agregación

Sólido

Líquido

Gas

Volumen

Definido

Definido

Indefinido

Forma

Definida

Indefinida

Indefinida

Compresibilidad

Incompresible

Incompresible

Compresible

Atracción entre Moléculas

Intensa

Moderada

Despreciable

Sólido Líquido Gaseoso

2.1 ESTADO SÓLIDO.- Manteniendo constante la presión y a baja temperatura, los cuerpos se presentan en forma sólida, los átomos se encuentran entrelazados (fig. 1) formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente; son por tanto agregados generalmente rígidos, duros y resistentes. También existe la materia semisólida. Los sólidos presentan propiedades específicas, tales como:

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original después de ser deformado. Un elástico o un resorte son objetos en los que podemos observar esta propiedad.

Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos pedazos (ser quebradizo). Por Ej.: Cuando se quiebra un vaso de vidrio o un objeto de greda.

Dureza: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante presenta dicha propiedad (según escala de Mohs, dureza 10), es una joya valiosa, y es utilizado para cortar vidrios o perforar a las rocas más duras.

FUSIÓN.- La fusión es el paso de un sólido al estado líquido mediante un aumento de la temperatura o variación de la presión. Un fenómeno opuesto a la fusión es la solidificación. Ésta se realiza a la misma temperatura que la fusión, con la única diferencia de que el intercambio de energía entre la sustancia y el ambiente es de sentido contrario, así mientras la fusión necesita energía, la solidificación se realiza desprendiendo energía.

SUBLIMACIÓN.- La presión de vapor de un sólido aumenta con la temperatura. Si la presión de vapor iguala a la presión externa sin haber alcanzado la temperatura de fusión, el sólido pasa en masa al estado gaseoso.

En el agua esto sucede a una presión inferior a 4,579 mm Hg y se llama Liofilización, ésta se utiliza para extraer el agua de determinadas sustancias orgánicas sin que pierdan sus propiedades y guardarlas fuera del frío, como las leches en polvo.

2.2 ESTADO LÍQUIDO.- Incrementando la temperatura el sólido se va descomponiendo hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene (tabla 1). Existe aún una cierta fuerza de interacción entre los átomos del cuerpo (Fig. 1), aunque de mucha menor intensidad que en el caso de los sólidos. Estas fuerzas son las responsables de las propiedades características de los líquidos, como la viscosidad, que es la fuerza que se opone al movimiento relativo de unas partículas con respecto a las partículas próximas, ésta varía con respecto la temperatura.

EVAPORACIÓN.- Las partículas pueden realizar el movimiento de traslación. Si una partícula incide en la superficie libre del líquido con una velocidad suficiente y una dirección adecuada como para traspasar la barrera que supone la tensión superficial, es capaz de llegar al medio gaseoso y formar parte de él.

EBULLICIÓN.- Cuando la presión de vapor alcanza la presión externa se produce el paso masivo de líquido a estado de vapor. La ebullición se distingue de la evaporación en que realiza a una temperatura fija característica de c/líquido.

2.3 PLASMA.- Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que se produce para temperaturas y presiones extremadamente altas. Es el más abundante del Universo. Aquí la gran cantidad de energía hace que los impactos entre electrones sean tan violentos que se separen del núcleo. El plasma es, en definitiva, un combinado de electrones libres y núcleos positivos. Los plasmas tienen la característica de ser conductores de la electricidad. Los tubos fluorescentes funcionan con este principio. Algunos plasmas presentes en la naturaleza son el sol y la ionosfera.

2.4 CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN.- Otro estado de la materia es el condensado de Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924 por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, y obtenido en 1995 (los físicos Eric A. Cornell, Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle compartieron el Premio Nobel de Física de 2001 por este hecho). Este estado se consigue a temperaturas cercanas al cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran todos en el mismo lugar, formando un superátomo. Un ejemplo sería: Si sentáramos a cien personas en una misma silla, pero no una encima de la otra, sino que ocupando el mismo espacio, estaríamos en presencia del condensado de Bose-Einstein.

2.5 ESTADO GASEOSO.- Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres o Expandidos (Fig. 1). Es compresible, ya que una variación de temperatura supone una variación notable del volumen de un gas.

2.5.1 PROPIEDADES DE LOS GASES.- Las propiedades físicas más importantes del estado gaseoso son:

Las partículas libres están en contínuo movimiento y ocupan todo el volumen en el que están contenidas.

Ejercen una determinada presión motivada por el choque de las moléculas contra las paredes del recipiente en que están encerradas.

Se difunden y se mezclan homogéneamente entre ellos.

El calor afecta a su presión y a su volumen, consideradas estas variables separadas o simultáneamente.

Pueden ser fuertemente comprimidos o expandidos.

Poseen baja densidad puesto que la masa contenida en la unidad de volumen es muy pequeña.

SUSTANCIAS QUE SON GASES.- La atracción dipolar, la masa molecular y la temperatura son los factores más importantes para que una molécula se encuentre en estado gaseoso. Por lo tanto una sustancia a temperatura ambiente será gaseosa si posee una pequeña atracción dipolar y una baja masa molecular, por ejemplo, CH4, C2H2, CO, CO2, F2, Cl2, N2, NH3, etc. Los compuestos iónicos, las macromoléculas covalentes y los metales nunca son gaseosos a temperatura ambiente.

2.5.2 ANÁLISIS DE VARIABLES.- Para la deducción y aplicación de las diferentes leyes que rigen el comportamiento gaseoso es necesario considerar y analizar las variables más importantes que afectan dicho comportamiento.

VOLUMEN.- Se define como “la capacidad del recipiente en el cual se encuentra encerrado el gas”. El volumen se ve afectado si se modifica la presión y/o temperatura y/o el número de moles.

El volumen puede ser medio en diferentes unidades de capacidad. Entre las equivalencias más importantes tenemos:

UNIDAD

EQUIVALENCIA

UNIDAD

EQUIVALENCIA

1 L

1000,027 cm3

1 L

1000,000000 mL

1 kL

1000,000 L

1 m3

1000,000000 L

1DL

100,000 L

1 m3

35,314670 pies3

1 L

10,000 dL

1 Galón

3,785300 L

1 L

1,000 dm3

1 L

0,035315 pies3

TEMPERATURA.- La temperatura es la cantidad de calor que posee un cuerpo, por lo que se establece también como una medida del nivel térmico y se define como “la propiedad de un cuerpo que determina el flujo de calor”.

La temperatura pueda medirse en las escalas relativas: Centígrada o Celsius, °C, o Fahrenheit, °F, o en las escalas absolutas Kelivin, °K, o Rankine, °R. .Para la aplicación de las diferentes leyes, la temperatura deberá ser expresada exclusivamente en una de las escalas absolutas. La relación que existe entre las diferentes escalas viene dada por la siguiente relación:

El intervalo existente entre el punto de congelación y el de ebullición del agua en la escala centígrada y en la Kelvin es de 100°, mientras que el mismo intervalo en la escala Fahrenheit y Rankine es de 180°. En el estado gaseoso necesariamente debe considerarse la escala absoluta, debido a que el cero absoluto, -273,15°C, representa una temperatura en la cual todo movimiento molecular cesa. Un gas antes de alcanzar dicha temperatura se habrá convertido en líquido o sólido.

PRESIÓN.- Se define “como la fuerza que se ejerce por unidad de área o superficie”. Matemáticamente viene expresada por:

La presión ejercida por un gas puede hallarse observando la altura de una columna de líquido sostenida por el gas en un tubo cerrado. Un sencillo

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