Propiedades y estados de la materia (física): una descripción general

Las propiedades físicas de la materia son la base de gran parte de la física. Además de comprender los estados de la materia, los cambios de fase y las propiedades químicas, cuando se habla de la materia, es importante comprender cantidades físicas como densidad (masa por unidad de volumen), masa (cantidad de materia) y presión (fuerza por unidad) área).

La materia cotidiana con la que está familiarizado está hecha de átomos. Es por eso que los átomos se denominan comúnmente los componentes básicos de la materia. Hay más de 109 tipos diferentes de átomos y representan todos los elementos de la tabla periódica.

Las dos partes principales del átomo son el núcleo y la capa de electrones. El núcleo es la parte más pesada del átomo con diferencia y es donde se encuentra la mayor parte de la masa. Es una región estrechamente unida en el centro del átomo y, a pesar de su masa, ocupa relativamente poco espacio en comparación con el resto del átomo. En el núcleo hay protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas con carga negativa). El número de protones en el núcleo determina qué elemento es el átomo, y diferentes números de neutrones corresponden a diferentes isótopos de ese elemento.

Los electrones son partículas cargadas negativamente que forman una nube o capa difusa alrededor del núcleo. En un átomo con carga neutra, el número de electrones es el mismo que el número de protones. Si el número es diferente, el átomo se llama ion.

Las moléculas son átomos que se mantienen unidos por enlaces químicos. Hay tres tipos principales de enlaces químicos: iónicos, covalentes y metálicos. Los enlaces iónicos se producen cuando un ión negativo y uno positivo se atraen entre sí. Un enlace covalente es un enlace en el que dos átomos comparten electrones. Los enlaces metálicos son enlaces en los que los átomos actúan como iones positivos incrustados en un mar de electrones libres.

Las propiedades microscópicas de los átomos y las moléculas dan lugar a las propiedades macroscópicas que determinan el comportamiento de la materia. La respuesta de las moléculas a los cambios de temperatura, la fuerza de los enlaces, etc., dan lugar a propiedades como la capacidad calorífica específica, la flexibilidad, la reactividad, la conductividad y muchas otras.

Un estado de la materia es una de las muchas formas distintas posibles en las que puede existir la materia. Hay cuatro estados de la materia: sólido, líquido, gas y plasma. Cada estado tiene propiedades distintas que lo distinguen de los otros estados, y existen procesos de transición de fase por los cuales la materia cambia de un estado a otro.

Cuando piensa en un sólido, probablemente piense en algo duro o firme de alguna manera. Pero los sólidos también pueden ser flexibles, deformables y maleables.

Los sólidos se distinguen por sus moléculas fuertemente unidas. La materia en su estado sólido tiende a ser más densa que cuando está en su estado líquido (aunque hay excepciones, sobre todo el agua). Los sólidos mantienen su forma y tienen un volumen fijo.

Un tipo de sólido es uncristalinosólido. En un sólido cristalino, las moléculas están dispuestas en un patrón repetido en todo el material. Los cristales son fácilmente identificables por su geometría macroscópica y sus simetrías.

Otro tipo de sólido es unamorfosólido. Se trata de un sólido en el que las moléculas no están dispuestas en absoluto en una red cristalina. Apolicristalinoel sólido está en algún punto intermedio. A menudo se compone de pequeñas estructuras de cristal único, pero sin un patrón repetitivo.

Los líquidos están hechos de moléculas que pueden fluir fácilmente entre sí. El agua que bebe, el aceite con el que cocina y la gasolina de su coche son todos líquidos. A diferencia de los sólidos, los líquidos toman la forma del fondo de su recipiente.

Aunque los líquidos pueden expandirse y contraerse a diferentes temperaturas y presiones, estos cambios suelen ser pequeños y, para la mayoría de los propósitos prácticos, se puede suponer que los líquidos también tienen un volumen fijo. Las moléculas de un líquido pueden fluir unas sobre otras.

La propensión de un líquido a ser ligeramente "pegajoso" cuando se adhiere a una superficie se denominaadhesión, y la capacidad de las moléculas líquidas de querer pegarse (como cuando una gota de agua forma una bola en una hoja) se llamacohesión​.

En un líquido, la presión depende de la profundidad y, debido a esto, los objetos sumergidos o parcialmente sumergidos sentirán una fuerza de flotación debido a la diferencia de presión en la parte superior e inferior del objeto. El principio de Arquímedes describe este efecto y explica cómo los objetos flotan o se hunden en líquidos. Se puede resumir con la afirmación de que "la fuerza de flotación es igual al peso del líquido desplazado". Como tal, la fuerza de flotación depende de la densidad del líquido y del tamaño del objeto. Los objetos más densos que el líquido se hundirán y los menos densos flotarán.

Los gases contienen moléculas que pueden moverse fácilmente entre sí. Toman la forma y el volumen completos de su contenedor y se expanden y contraen muy fácilmente. Las propiedades importantes de un gas incluyen presión, temperatura y volumen. De hecho, estas tres cantidades son suficientes para describir completamente el estado macroscópico de un gas ideal.

Un gas ideal es un gas en el que las moléculas se pueden aproximar como partículas puntuales y en el que se supone que no interactúan entre sí. La ley de los gases ideales describe el comportamiento de muchos gases y viene dada por la fórmula

dóndePAGes la presión,Ves el volumen,nortees el número de moles de una sustancia,Res la constante del gas ideal (R= 8,3145 J / molK) yTes la temperatura.

Una formulación alternativa de esta ley es

dóndenortees el número de moléculas ykes la constante de Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Un lector escéptico puede verificar quenR = Nk​.)

Los gases también ejercen fuerzas de flotación sobre los objetos sumergidos en ellos. Si bien la mayoría de los objetos cotidianos son más densos que el aire que nos rodea, lo que hace que esta fuerza de flotación no sea muy notable, un globo de helio es un ejemplo perfecto de esto.

El plasma es un gas que se ha calentado tanto que los electrones tienden a salir de los átomos, dejando iones positivos en un mar de electrones. Debido a que hay un número igual de cargas positivas y negativas en el plasma en general, se considera cuasi-neutral, aunque la separación y la aglomeración local de cargas hacen que el plasma se comporte de manera muy diferente a un gas regular.

El plasma está influenciado significativamente por campos eléctricos y magnéticos. Estos campos tampoco necesitan ser externos, ya que las cargas en el plasma mismo crean campos eléctricos y campos magnéticos a medida que se mueven, que se influyen entre sí.

A temperaturas y energías más bajas, los electrones y los iones quieren recombinarse en átomos neutros, por lo que para mantener un estado de plasma generalmente se requieren altas temperaturas. Sin embargo, se puede crear el llamado plasma no térmico donde los propios electrones mantienen una temperatura alta mientras que los núcleos ionizados no lo hacen. Esto sucede en el gas de vapor de mercurio en una lámpara fluorescente, por ejemplo.

No hay necesariamente un corte distinto entre un gas "normal" y un plasma. Los átomos y moléculas de un gas pueden ionizarse gradualmente, mostrando una dinámica más similar a la del plasma cuanto más se acerca el gas a estar completamente ionizado. El plasma se distingue de los gases estándar por su alta conductividad eléctrica, el hecho de que actúa como un sistema con dos tipos distintos de partículas (iones positivos y electrones negativos). a diferencia de un sistema con un tipo (átomos o moléculas neutros), y colisiones e interacciones de partículas que son mucho más complejas que las interacciones de "bola de billar" de 2 cuerpos en un estándar gas.

Los ejemplos de plasma incluyen los rayos, la ionosfera de la Tierra, la iluminación fluorescente y los gases del sol.

La materia puede sufrir un cambio físico de una fase o estado a otro. Los principales factores que inciden en este cambio son la presión y la temperatura. Como regla general, un sólido debe calentarse para convertirse en líquido, un líquido debe calentarse para convertirse en gas y un gas debe calentarse para ionizarse y convertirse en plasma. Las temperaturas a las que se producen estas transiciones dependen del material en sí y de la presión. De hecho, es posible pasar directamente de un sólido a un gas (esto se llama sublimación) o de un gas a un sólido (deposición) en las condiciones adecuadas.

Cuando un sólido se calienta hasta su punto de fusión, se convierte en líquido. Se debe agregar energía térmica para calentar el sólido hasta la temperatura de fusión, y luego se debe agregar calor adicional para completar la transición de fase antes de que la temperatura pueda continuar aumentando. Lacalor latente de fusiónes una constante asociada con cada material en particular que determina cuánta energía se requiere para fundir una unidad de masa de la sustancia.

Esto también funciona en la otra dirección. A medida que un líquido se enfría, debe emitir energía térmica. Una vez que alcanza el punto de congelación, debe continuar emitiendo energía para experimentar la transición de fase antes de que la temperatura pueda seguir bajando.

Un comportamiento similar ocurre cuando un líquido se calienta hasta su punto de ebullición. Se agrega energía térmica, lo que hace que la temperatura aumente, hasta que comienza a hervir, momento en el que se utiliza la energía térmica agregada. para provocar la transición de fase, y la temperatura del gas resultante no aumentará hasta que todo el líquido haya cambiado fase. Una constante llamadacalor latente de vaporizacióndetermina, para una sustancia en particular, cuánta energía se requiere para cambiar la fase de la sustancia de líquido a gas por unidad de masa. El calor latente de vaporización de una sustancia es generalmente mucho mayor que el calor latente de fusión.

Las propiedades químicas de la materia determinan qué tipos de reacciones químicas o cambios químicos pueden ocurrir. Las propiedades químicas son distintas de las propiedades físicas en que requieren algún tipo de cambio químico para poder medirlas.

Los ejemplos de propiedades químicas incluyen inflamabilidad (qué tan fácil es que un material se queme), reactividad (qué tan fácilmente se somete a reacciones químicas), la estabilidad (la probabilidad de que resista el cambio químico) y los tipos de enlaces que el material puede formar con otros materiales.

Cuando ocurre una reacción química, los enlaces entre los átomos se alteran y se forman nuevas sustancias. Los tipos comunes de reacciones químicas incluyen combinación (en la que dos o más moléculas se combinan para formar una nueva molécula), descomposición (en la que una molécula se rompe en dos o más moléculas diferentes) y la combustión (en la que los compuestos se combinan con el oxígeno, liberando cantidades significativas de calor, más comúnmente conocido como "quema") para nombrar un pocos.