Estados de agregación y teoría cinética

La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen). Para entender cómo funciona el universo, debemos empezar por medir estas dos propiedades fundamentales:

1. Masa ($m$): Es la cantidad de materia que posee un cuerpo. En el Sistema Internacional (SI), su unidad es el kilogramo (kg). Se mide habitualmente con una balanza.
2. Volumen ($V$): Es el espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad en el SI es el metro cúbico ($m^3$), aunque en química es muy común usar el litro ($L$). Recordad que $1\ L = 1\ dm^3$.

Es vital distinguir entre dos tipos de propiedades:

• Propiedades generales (extensivas): Son comunes a toda la materia y dependen de la cantidad de sustancia (como la masa o el volumen). No sirven para identificar una sustancia.
• Propiedades específicas (intensivas): Son propias de cada sustancia y no dependen de la cantidad. Ejemplos son el color, el punto de fusión o la densidad. Estas propiedades permiten identificar qué tipo de sustancia tenemos delante.

La densidad ($\rho$ o $d$) es la relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Matemáticamente se expresa como:

$d = \frac{m}{V}$

• Unidades: En el SI se mide en $kg/m^3$, pero es muy frecuente usar $g/cm^3$ o $g/ml$.
• Flotabilidad: Un objeto flotará en un líquido si su densidad es menor que la del líquido. Por ejemplo, el hielo flota en el agua porque su densidad es aproximadamente $0,92\ g/cm^3$, mientras que la del agua líquida es $1\ g/cm^3$.

La materia se presenta habitualmente en tres estados físicos, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura:

Para explicar por qué la materia se comporta de forma distinta en cada estado, los científicos desarrollaron la Teoría Cinética de la Materia (TCM), que se basa en tres ideas clave:

1. La materia está formada por partículas extremadamente pequeñas (átomos o moléculas).
2. Las partículas están en movimiento constante y al azar. Cuanto mayor es la temperatura, más rápido se mueven.
3. Entre las partículas hay espacio vacío y existen fuerzas de cohesión (atracción) que intentan mantenerlas unidas.

Gracias a la TCM, podemos entender la estructura interna de los cuerpos:

• Sólidos: Las fuerzas de atracción son muy intensas. Las partículas están muy juntas y ordenadas en posiciones fijas. No se desplazan, solo pueden vibrar.
• Líquidos: Las fuerzas de atracción son intermedias. Las partículas están juntas pero no tienen posiciones fijas; pueden deslizarse unas sobre otras, lo que explica la fluidez.
• Gases: Las fuerzas de atracción son casi nulas. Las partículas están muy separadas y se mueven libremente a gran velocidad en todas direcciones, chocando entre sí y con las paredes.

La temperatura no es más que una medida de la energía cinética media de las partículas. A mayor temperatura, mayor velocidad de las partículas.

Existen dos escalas principales:

• Escala Celsius ($^\circ C$): Basada en los puntos de congelación ($0^\circ C$) y ebullición ($100^\circ C$) del agua.
• Escala Kelvin ($K$): Es la escala absoluta. El cero absoluto ($0\ K$) es la temperatura teórica a la cual las partículas dejarían de moverse por completo.

La conversión es sencilla: $T(K) = t(^\circ C) + 273$

Para describir el comportamiento de un gas, necesitamos conocer tres variables:

1. Presión ($P$): Se debe a los choques de las partículas contra las paredes del recipiente. Se mide en Pascales ($Pa$), atmósferas ($atm$) o milímetros de mercurio ($mmHg$). ($1\ atm = 760\ mmHg$).
2. Volumen ($V$): El espacio que ocupa el gas (siempre el de su recipiente).
3. Temperatura ($T$): Siempre debe expresarse en Kelvin al aplicar leyes de gases.

Estudia procesos isotérmicos (temperatura constante). Dice que, a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión.

$P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$

Si apretamos un gas (aumentamos presión), su volumen disminuye porque las partículas se ven obligadas a estar más juntas. La gráfica $P-V$ es una curva llamada hipérbola.

• Ley de Charles (Presión constante - Isóbaro): El volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Si calentamos un gas, sus partículas se mueven más rápido y chocan con más fuerza, empujando las paredes y aumentando el volumen. $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$

• Ley de Gay-Lussac (Volumen constante - Isócoro): La presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Si calentamos un gas en un recipiente rígido, la presión sube porque los choques son más violentos. $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$

Combinando las tres leyes anteriores, obtenemos una ecuación que permite calcular cambios cuando varían las tres magnitudes a la vez:

$\frac{P_1 \cdot V_1}{T_1} = \frac{P_2 \cdot V_2}{T_2}$

Se denominan Condiciones Normales (c.n.) a una presión de $1\ atm$ y una temperatura de $0^\circ C$ ($273\ K$).

Un cambio de estado es un proceso físico en el que una sustancia pasa de un estado de agregación a otro sin cambiar su naturaleza química.

• Cambios progresivos (requieren energía/calor): Fusión (S → L), Vaporización (L → G) y Sublimación (S → G).
• Cambios regresivos (desprenden energía/calor): Solidificación (L → S), Condensación (G → L) y Sublimación inversa o deposición (G → S).

Al representar la temperatura frente al tiempo mientras calentamos una sustancia, observamos tramos ascendentes y tramos horizontales llamados mesetas.

En las mesetas, la temperatura se mantiene constante a pesar de seguir aportando calor. Esto ocurre porque toda la energía se utiliza para romper las fuerzas de atracción entre partículas en lugar de aumentar su velocidad.

• Punto de fusión: Temperatura a la que el sólido pasa a líquido.
• Punto de ebullición: Temperatura a la que el líquido pasa a gas.

La vaporización (paso de líquido a gas) puede ocurrir de dos formas:

1. Evaporación: Es un fenómeno superficial. Ocurre a cualquier temperatura (el agua de los charcos se evapora sin hervir). Solo las partículas de la superficie con suficiente energía escapan.
2. Ebullición: Es un fenómeno masivo. Afecta a toda la masa del líquido y ocurre a una temperatura fija (punto de ebullición) para una presión dada. Se forman burbujas de vapor en el interior del líquido.

Factores como el aumento de la temperatura, el aumento de la superficie del líquido o una menor presión exterior aceleran la velocidad de evaporación.