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Materia: Definición y los cinco estados de la materia

Un vaso contiene H2O en tres estados de la materia: hielo sólido, agua líquido y vapor gas. Crédito de la imagen: nikkytok | Shutterstock

La materia es la "materia" que forma el universo: todo lo que ocupa espacio y tiene masa es materia.

Toda la materia se compone de átomos , que a su vez están formados por protones, neutrones y electrones.

Los átomos se unen para formar moléculas, que son los componentes básicos de todo tipo de materia, según Universidad Estatal de Washington . Tanto los átomos como las moléculas se mantienen unidos por una forma de energía potencial llamada energía química. A diferencia de energía cinética , que es la energía de un objeto en movimiento, energía potencial es la energía almacenada en un objeto.

Las cinco fases de la materia

Hay cuatro estados naturales de la materia: sólidos, líquidos, gases y plasma. El quinto estado son los condensados ​​de Bose-Einstein artificiales.

sólidos

en a sólido , las partículas están muy juntas para que no se muevan mucho. Los electrones de cada átomo están en constante movimiento, por lo que los átomos tienen una pequeña vibración, pero están fijos en su posición. Debido a esto, las partículas en un sólidotienen una energía cinética muy baja.

Los sólidos tienen una forma definida, así como masa y volumen, y no se ajustan a la forma del recipiente en el que se colocan. Los sólidos también tienen una alta densidad, lo que significa que las partículas están muy juntas.

líquidos

en a líquido , las partículas están más sueltas que en un sólido y pueden fluir unas alrededor de otras, dando al líquido una forma indefinida. Por lo tanto, el líquido se amoldará a la forma de su recipiente.

Al igual que los sólidos, los líquidos la mayoría de los cuales tienen una densidad más baja que los sólidos son increíblemente difíciles de comprimir.

gases

en a gas , las partículas tienen una gran cantidad de espacio entre ellas y tienen alta energía cinética. Un gas no tiene forma o volumen definido. Si no está confinado, las partículas de un gas se esparcirán indefinidamente; si está confinado, el gas se expandirá para llenarsu contenedor. Cuando un gas se pone bajo presión reduciendo el volumen del contenedor, el espacio entre las partículas se reduce y el gas se comprime.

plasma

plasma no es un estado común de la materia aquí en la Tierra, pero puede ser el estado más común de la materia en el universo, según Laboratorio Jefferson . Las estrellas son esencialmente bolas de plasma sobrecalentadas.

El plasma se compone de partículas muy cargadas con una energía cinética extremadamente alta. El gases nobles helio, neón, argón, criptón, xenón y radón se utilizan a menudo para hacer letreros brillantes mediante el uso de electricidad para ionizarlos al estado de plasma.

condensado de Bose-Einstein

El condensado de Bose-Einstein BEC fue creado por científicos en 1995. Usando una combinación de láseres e imanes, Eric Cornell y Carl Weiman, científicos del Joint Institute for Lab Astrophysics JILA en Boulder, Colorado, enfriaron una muestra de rubidio a unos pocos grados del cero absoluto. A esta temperatura extremadamente baja, el movimiento molecular está muy cerca de detenerse. Dado que casi no se transfiere energía cinética de un átomo a otro, los átomos comienzan a agruparse. No haymás miles de átomos separados, solo un "súper átomo".

Un BEC se utiliza para estudiar la mecánica cuántica a nivel macroscópico. La luz parece ralentizarse a medida que pasa a través de un BEC, lo que permite a los científicos estudiar la paradoja de la partícula / onda. Un BEC también tiene muchas de las propiedades de a superfluido , o un fluido que fluye sin fricción. Los BEC también se utilizan para simular las condiciones que podrían existir en los agujeros negros.

pasando por una fase

Agregar o quitar energía de la materia provoca un cambio físico a medida que la materia se mueve de un estado a otro. Por ejemplo, agregar energía térmica calor al agua líquida hace que se convierta en vapor o vapor un gas. Y quitar energía del líquidoel agua hace que se convierta en hielo un sólido. Los cambios físicos también pueden ser causados ​​por el movimiento y la presión.

Derretir y congelar

Cuando se aplica calor a un sólido, sus partículas comienzan a vibrar más rápido y se separan más. Cuando la sustancia alcanza una cierta combinación de temperatura y presión, su punto de fusión , el sólido comenzará a derretirse y se convertirá en líquido.

Cuando dos estados de la materia, como sólido y líquido, están a la temperatura y presión de equilibrio, el calor adicional agregado al sistema no hará que la temperatura general de la sustancia aumente hasta que toda la muestra alcance el mismo estado físico.Por ejemplo, cuando pones hielo en un vaso de agua y lo dejas a temperatura ambiente, el hielo y el agua finalmente alcanzarán la misma temperatura. A medida que el hielo se derrita por el calor que proviene del agua, permanecerá a cero grados Celsius hasta quetodo el cubo de hielo se derrite antes de continuar calentándose.

Cuando se elimina el calor de un líquido, sus partículas se ralentizan y comienzan a asentarse en un lugar dentro de la sustancia. Cuando la sustancia alcanza una temperatura lo suficientemente fría a una cierta presión, el punto de congelación, el líquido se vuelve sólido.

La mayoría de los líquidos se contraen cuando se congelan. Sin embargo, el agua se expande cuando se congela en hielo, lo que hace que las moléculas se separen más y disminuyan la densidad, razón por la cual el hielo flota sobre el agua .

Agregar sustancias adicionales, como sal en el agua, puede alterar los puntos de fusión y congelación. Por ejemplo, agregar sal a la nieve disminuirá la temperatura de congelación del agua en las carreteras, haciéndola más segura para los conductores.

También hay un punto, conocido como punto triple , donde los sólidos, líquidos y gases existen todos simultáneamente. El agua, por ejemplo, existe en los tres estados a una temperatura de 273,16 Kelvin y una presión de 611,2 pascales.

La mayoría de los líquidos se contraen cuando se congelan, pero el agua se expande, haciéndola menos densa cuando se convierte en hielo. Esta característica única permite que el hielo flote en el agua, como este enorme iceberg en la Antártida. Crédito de la imagen: NASA / Operation Icebridge

sublimación

Cuando un sólido se convierte directamente en gas sin pasar por una fase líquida, el proceso se conoce como sublimación. Esto puede ocurrir cuando la temperatura de la muestra aumenta rápidamente más allá del punto de ebullición vaporización instantánea o cuando una sustanciase "liofiliza" enfriándola en condiciones de vacío de modo que el agua de la sustancia se sublima y se elimina de la muestra. Algunas sustancias volátiles se someten a sublimación a temperatura y presión ambiente , como dióxido de carbono congelado o hielo seco.

vaporización

La vaporización es la conversión de un líquido en un gas y puede ocurrir por evaporación o ebullición.

Debido a que las partículas de un líquido están en constante movimiento, con frecuencia chocan entre sí. Cada choque también hace que se transfiera energía, y cuando se transfiere suficiente energía a las partículas cercanas a la superficie, pueden ser expulsadas completamente de la muestra comopartículas de gas libre.Los líquidos se enfrían a medida que se evaporan porque la energía transferida a las moléculas de la superficie, lo que provoca su escape, se lleva consigo.

El líquido hierve cuando se agrega suficiente calor a un líquido para que se formen burbujas de vapor debajo de la superficie. Esto punto de ebullición es la temperatura y la presión a las que un líquido se convierte en gas.

condensación y deposición

La condensación ocurre cuando un gas pierde energía y se junta para formar un líquido. Por ejemplo, vapor de agua se condensa en agua líquida .

La deposición ocurre cuando un gas se transforma directamente en un sólido, sin pasar por la fase líquida. El vapor de agua se convierte en hielo o escarcha cuando el aire que toca un sólido, como una brizna de hierba, está más frío que el resto del aire.

Recursos adicionales :

Este artículo fue actualizado el 21 de agosto de 2019 por Rachel Ross, colaboradora de Rhythm89.