Cambios de estado de la materia

Las diferencias entre los distintos estados de la materia tienen que ver fundamentalmente con la intensidad de las fuerzas de cohesión. 

Cualquier sustancia puede en principio estar en cualquiera de los tres estados básicos. Si se utilizan convenientemente la temperatura y la presión se puede modificar las fuerzas de cohesión lo suficientemente como para que una sustancia pase de un estado a otro. Los nombres de los cambios de estado son los siguientes:

A estos conceptos debemos añadir los siguientes:

• Punto de fusión: temperatura a la que coexisten en equilibrio la fase sólida y la fase líquida. 
• Punto de ebullición: temperatura a la cual la presión de vapor  de un líquido iguala la presión atmosférica externa.
• Punto de congelación: temperatura a la que coexisten en equilibrio las fases sólida y liquida de una sustancia.
• Punte triple: situación de equilibrio entre los estados de vapor, líquido y sólido de una sustancia. 

Teniendo en cuenta estos conceptos y la información sobre los estados de la materia, podemos explicar los cambios de estado.  

Al comunicar energía a un sólido su temperatura va aumentando y, por tanto su partículas componentes vibran cada vez a mayor distancia de la posición de equilibrio (punto de fusión)  hasta que se termina por vencer la fuerza que las mantiene unidas, convirtiéndose en un líquido (proceso de fusión) o en un gas (proceso de sublimación). En el caso de los líquidos,a medida que vamos aumentando la temperatura de un líquido, las moléculas tienen más energía y cada vez, son más las que se evaporan de forma que la presión de vapor del líquido va aumentando. Cuando la presión de vapor se hace igual que la presión externa las moléculas del líquido vencen la resistencia de las moléculas de aire y pueden abandonar libremente el líquido (punto de ebullición). De la misma manera que una molécula líquida puede evaporarse, una molécula gaseosa que choque con suficiente energía contra la superficie del líquido puede rebotar y penetrar en él y convertirse en líquida (licuación). Sin embargo, existe una temperatura por encima de la cual no es posible licuarlos por mucho que aumente su presión, tendría la misma densidad que un líquido pero seguiría siendo un gas. Esta temperatura es llamada temperatura crítica. Pero si es posible solificar un gas empleando presiones muy elevadas (cristalización o sublimación interna)

Estructura de las moléculas del agua en los distintos estados. 

Los cambios de estado llevan aparejados cálculos que no siempre son sencillos ya que los comportamientos de los diferentes estados son habitualmente diferentes y se precisan valores determinados experimentalmente para calores específicos y calores latentes de cambio de estado. 

En este enlace se puede encontrar más información sobre los cambios de estado e incluye simulaciones: Estados de agregación 

Actividades en el aula

En el aula utilizamos la siguiente aplicación para ver los cambios de estados y entender mejor este proceso: states-of-matter_es.jar (está siempre en la columna de la derecha del blog)

Con esta aplicación podemos ver cómo se encuentra la estructura molecular del agua, el neón, el argón y el oxígeno. En este caso, voy a elegir el neón. 

Al encontrarse en estado sólido mantiene una forma y volumen constante, ya que las partículas está unidas por fuerzas de atracción grandes. Por ello, las partículas sólo pueden vibrar u oscilar alrededor de una posición fija. Al aumentar la temperatura, aumenta la vibración de las moléculas.  

En estado líquido mantiene el volumen pero no la forma, ya que las moléculas se mueven con libertad al estar unidas por fuerzas de atracción menores que la de los sólidos. Esto provoca la colisión y fricción entre ellas (aumento de presión) que permite que adopte la forma del recipiente y tenga las propiedades de fluidez y viscosidad. Al aumentar la temperatura, aumenta la movilidad de las moléculas. 

En estado gaseoso no mantiene ni el volumen ni la forma aunque sí son fluidos como los líquidos. Las fuerzas de cohesión son débiles por lo que se mueven con total libertad, produciéndose choques entre ellas que hacen que aumente la presión. Esta situación explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad. Aunque si se reduce mucho el espacio donde está situado el gas, este se convierte en líquido. Al aumentar la temperatura, aumenta la presión. 

A continuación, se presenta la tabla donde se muestra el proceso de cambio de estado desde sólido hasta líquido de las moléculas de neón.