Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.
La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:
- Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.
- Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.
- Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
Manteniendo constante la presión, a baja temperatura,
los cuerpos se presentan en forma sólida y los átomos se encuentran
entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que
confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación
aparente. Son, por tanto, agregados generalmente como duros y
resistentes. El estado sólido presenta las siguientes características:
- Cohesión (atracción).
- Vibración.
- Tienen forma propia.
- No pueden comprimirse.
- Resistentes a fragmentarse.
- Volumen definido.
- Pueden ser orgánico o inorgánico.
Estado líquido
Si se incrementa la temperatura el sólido va
«descomponiéndose» hasta desaparecer la estructura cristalina alcanzando
el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y
adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún
existe cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos
intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes
características:
- Cohesión menor (regular)
- Movimiento energía cinética.
- Sin forma definida.
- Toma la forma del envase que lo contiene.
- En frío se comprime, excepto el agua.
- Posee fluidez.
- Puede presentar difusión.
Estado gaseoso
Incrementando aún más la temperatura se alcanza el
estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran
virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio
del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería
decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible. El
estado gaseoso presenta las siguientes características:
- Cohesión casi nula.
- Sin forma definida.
- Sin volumen definido.
- Pueden comprimirse fácilmente.
- Ejercen presión sobre las paredes del recipiente contenedor.
- Se mueven con libertad.
Plasma
Plasma (estado de la materia)
Al plasma se le llama a veces «el cuarto estado de la
materia», además de los tres «clásicos», sólido, líquido y gas. Es un
gas en el que los átomos se han roto, formado por electrones negativos y
iones positivos (átomos que han perdido electrones y que están
moviéndose libremente).
En la baja atmósfera, cualquier átomo que pierde un
electrón (cuando es alcanzado por una partícula cósmica rápida) lo
recupera pronto o atrapa otro. Pero a altas temperaturas, como en el
Sol, es muy diferente. Cuanto más caliente está el gas, más rápido se
mueven sus moléculas y átomos, y a muy altas temperaturas las colisiones
entre estos átomos, moviéndose muy rápido, son suficientemente
violentas para liberar los electrones. En la atmósfera solar, una gran
parte de los átomos están permanentemente «ionizados» por estas
colisiones y el gas se comporta como un plasma.
A diferencia de los gases fríos (p.e., el aire a
temperatura ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son
fuertemente influidos por los campos magnéticos. La lámpara
fluorescente, muy usada en el hogar y en el trabajo, contiene plasma (su
componente principal es vapor de mercurio) que calienta y agita la
electricidad, mediante la línea de fuerza a la que está conectada la
lámpara. La línea, positivo eléctricamente un extremo y negativo otro,
causa que los iones positivos se aceleren hacia el extremo negativo, y
que los electrones negativos vayan hacia el extremo positivo. Las
partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, expulsan
electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se recombinen
partículas. Las colisiones también hacen que los átomos emitan luz y
esta forma de luz es más eficiente que las lámparas tradicionales. Los
letreros de neón y las luces urbanas funcionan por un principio similar y
también se usa(ro)n en electrónica.
Importante plasma en la naturaleza es la ionosfera
(70–80 km encima de la superficie terrestre). Aquí los electrones son
expulsados de los átomos por la luz solar de corta longitud de onda,
desde la ultravioleta hasta los rayos X: no se recombinan fácilmente
debido a que la atmósfera se rarifica más a mayores altitudes y no son
frecuentes las colisiones. La parte inferior de la ionosfera, la «capa
D» (70–90 km), aún tiene suficientes colisiones para desaparecer después
de la puesta del sol. Entonces se combinan los iones y los electrones,
mientras que la ausencia de luz solar no los vuelve a producir. Esta
capa se reestablece después del amanecer. Por encima de los 200 km las
colisiones son tan infrecuentes que la ionosfera prosigue día y noche.
Perfil de la ionosfera
La parte superior de la ionosfera se extiende en el
espacio muchos miles de kilómetros y se combina con la magnetosfera,
cuyos plasmas están generalmente más rarificados y también más
calientes. Los iones y los electrones del plasma de la magnetosfera
provienen de la ionosfera que está por debajo y del viento solar y
muchos de los pormenores de su entrada y calentamiento no están claros
aún.
Existe el plasma interplanetario, el viento solar. La
capa más externa del Sol, la corona, está tan caliente que no solo están
ionizados todos sus átomos, sino que aquellos que comenzaron con muchos
electrones, tienen arrancados la mayoría (a veces todos), incluidos los
electrones de las capas más profundas que están más fuertemente unidos.
En la corona se ha detectado la luz característica del hierro que ha
perdido 13 electrones.
Esta temperatura extrema evita que el plasma de la
corona permanezca cautivo por la gravedad solar y, así, fluye en todas
direcciones, llenando el Sistema Solar más allá de los planetas más
distantes. El Sol, mediante el viento solar, configura el distante campo
magnético terrestre y el rápido flujo del viento (~400 km/s);
proporciona la energía que alimenta los fenómenos de la aurora polar,
los cinturones de radiación y de las tormentas magnéticas.
Condensado de Bose-Einstein
Otro estado de la materia es el condensado de
Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924 por Satyendra Nath Bose y Albert
Einstein, y obtenido en 1995 (los físicos Eric A. Cornell, Carl E.
Wieman y Wolfgang Ketterle compartieron el Premio Nobel de Física de
2001 por este hecho). Este estado se consigue a temperaturas cercanas al
cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran todos en
el mismo lugar, formando un superátomo.
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