Estados de la materia — sólido, líquido, gas y plasma

Los estados de la materia son las formas físicas que puede adoptar una sustancia: sólido, líquido, gas y plasma. La idea general es simple. Los sólidos conservan su forma y su volumen, los líquidos conservan el volumen pero adoptan la forma del recipiente, los gases se expanden para llenar un recipiente, y el plasma es un estado parecido al gas formado por partículas cargadas.

También se llaman fases de la materia. Cuando una sustancia cambia de estado, su identidad química no cambia. Lo que cambia es la separación entre partículas, el movimiento de las partículas y la intensidad con la que interactúan.

Qué determina un estado de la materia

A nivel de partículas, cada estado es un equilibrio distinto entre movimiento y atracción. Si las partículas están fuertemente sujetas en su lugar, la sustancia se comporta como un sólido. Si permanecen cerca pero pueden deslizarse unas sobre otras, se comporta como un líquido. Si se mueven libremente y se dispersan, se comporta como un gas.

La presión también importa, no solo la temperatura. Un estado que es estable bajo ciertas condiciones puede cambiar bajo otras.

Sólido, líquido, gas y plasma explicados

El sólido conserva forma y volumen

En un sólido, las partículas están muy juntas y permanecen en posiciones fijas unas respecto a otras. Aun así se mueven, pero sobre todo vibrando. Por eso un sólido conserva tanto su forma como su volumen.

El líquido conserva el volumen pero no la forma

En un líquido, las partículas siguen estando próximas entre sí, pero pueden moverse unas alrededor de otras. Por eso un líquido mantiene un volumen casi fijo mientras adopta la forma de su recipiente.

El gas llena el recipiente

En un gas, las partículas están mucho más separadas y se mueven libremente por el recipiente. Un gas no conserva su propia forma ni su propio volumen en condiciones normales. Se expande para ocupar todo el espacio disponible.

El plasma contiene partículas cargadas

El plasma suele describirse como un gas ionizado. Se forma cuando se aporta suficiente energía como para separar algunos electrones de los átomos o moléculas. Como el plasma contiene partículas cargadas, puede responder a campos eléctricos y magnéticos de formas en que un gas neutro ordinario no puede hacerlo.

Ejemplo resuelto: agua como hielo, agua líquida y vapor de agua

El agua es un buen ejemplo porque la sustancia sigue siendo $H_2O$ en todos los estados. La identidad permanece igual mientras cambia el comportamiento de las partículas.

El hielo es agua en estado sólido. Sus moléculas están mantenidas en una estructura ordenada, por eso conserva su forma.

El agua líquida tiene moléculas que permanecen próximas entre sí pero se mueven unas alrededor de otras, por eso fluye y adopta la forma de un vaso o una botella.

El vapor de agua es agua en estado gaseoso. Las moléculas están lo bastante separadas como para que la muestra se expanda y llene el espacio disponible. En el habla cotidiana, la gente suele llamar "vapor" al vapor caliente del agua, pero la nube blanca visible sobre una tetera normalmente también contiene diminutas gotas líquidas.

Este ejemplo muestra la diferencia entre un cambio físico y un cambio químico. La fusión y la ebullición no crean una sustancia nueva. La muestra sigue siendo agua, así que solo cambia el estado.

Cómo ocurren los cambios de estado

Cuando cambian la temperatura o la presión, la materia puede pasar de un estado a otro.

• Fusión: de sólido a líquido
• Solidificación: de líquido a sólido
• Vaporización: de líquido a gas
• Condensación: de gas a líquido
• Sublimación: de sólido a gas
• Deposición: de gas a sólido

A la presión normal de aula, calentar suele llevar una sustancia hacia una mayor libertad de movimiento de las partículas, como de sólido a líquido o de líquido a gas. Pero la presión puede cambiar el resultado. Por eso un diagrama de fases necesita tanto la temperatura como la presión.

Errores comunes sobre los estados de la materia

Confundir un cambio de estado con un cambio químico

Si el hielo se derrite y se convierte en agua, eso no es una reacción química. Las moléculas siguen siendo $H_2O$.

Pensar que las partículas de un sólido no se mueven

Sí se mueven. En un sólido, el movimiento consiste sobre todo en vibraciones alrededor de posiciones fijas, en lugar de un movimiento libre por toda la muestra.

Suponer que un gas no tiene volumen

Una muestra de gas sí ocupa volumen. La idea clave es que no conserva un volumen fijo propio cuando el tamaño del recipiente puede cambiar.

Tratar el plasma como solo "gas muy caliente"

Una temperatura alta puede producir plasma, pero la diferencia importante es la ionización. El plasma contiene partículas cargadas, y eso le da un comportamiento distinto.

Dónde se usa esta idea en química

Los estados de la materia aparecen al principio de la química porque sirven de base para muchas ideas posteriores: curvas de calentamiento, cambios de fase, comportamiento de los gases, modelos de partículas y observaciones de laboratorio.

El concepto también importa fuera de la clase de química. Ayuda a explicar por qué los líquidos se vierten, por qué los gases se comprimen más fácilmente que los líquidos, por qué la escarcha puede formarse directamente a partir del vapor de agua en las condiciones adecuadas, y por qué los rayos y las estrellas implican plasma.

Una forma rápida de comprobar tu comprensión

Toma una sustancia y haz las mismas tres preguntas en cada estado:

1. ¿Conserva su propia forma?
2. ¿Conserva su propio volumen?
3. ¿Con qué libertad se mueven sus partículas?

Si puedes responder esas tres preguntas para el hielo, el agua líquida y el vapor de agua, normalmente el concepto está lo bastante claro como para usarlo en temas más avanzados.

Prueba un caso parecido

Prueba tu propia versión con dióxido de carbono: compara el hielo seco, el dióxido de carbono gaseoso y las condiciones en las que uno cambia al otro. Es un buen paso siguiente porque te obliga a pensar tanto en la temperatura como en la presión, no solo en el calentamiento.