Estados de la Materia y cambios que sufre (página 2)

En física y química, el concepto de
plasma es un estado de la materia donde algunos o todos los
electrones han sido separados de las órbitas externas del
átomo. El resultado es una colección de iones
(átomos que al perder electrones adquieren carga positiva)
y electrones (de carga negativa) que no están ligados el
uno al otro. Se da a altas temperaturas, como por ejemplo en el
interior de las estrellas. A partir de cierta temperatura (que
depende de la presión y de otros factores), los
átomos ya no pueden conservar sus electrones y
éstos se mueven libremente, formando una especie de
«gas» de electrones y núcleos. Sus propiedades
físicas son parecidas a las de un gas muy denso.

El plasma es también llamado gas ionizado.

El término plasma es normalmente reservado a un sistema
de partículas cargadas, lo suficientemente grandes para
tener un comportamiento colectivo. Un pequeño
número de iones y electrones no es, usualmente, llamado
plasma.

Como las nebulosas y las estrellas están formadas de
plasma, es la forma de materia más común del
universo visible (más del 99%).

El plasma fue identificado como forma de materia por Sir
William Crookes en 1879, pero la palabra "plasma" fue aplicada
por primera vez al gas ionizado por el Dr. Irving Langmuir.

La primera vez que se consiguió crear plasma
artificialmente fue en un tokamak del CERN en Ginebra (Suiza), en
un experimento destinado a fabricar un reactor de fusión
nuclear.

El plasma es un gas ionizado, es decir, los átomos que
lo componen se han separado de algunos de sus electrones o de
todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas
pero compuesto por electrones y cationes (iones con carga
positiva), separados entre sí y libres, por eso es un
excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol. En la baja
Atmósfera terrestre, cualquier átomo que pierde un
electrón (cuando es alcanzado por una partícula
cósmica rápida).Pero a altas temperaturas 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 (por ejemplo, el aire a temperatura
ambiente), los plasmas conducen la electricidad y son fuertemente
influidos por los campos magnéticos. La lámpara
fluorescente, 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, 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 usaron en
electrónicas.

CONDENSADO BOSE-EINSTEIN

Esta nueva forma de la materia fue obtenida
el 5 de julio de 1995, por los físicos Eric Cornell,
Wolfgan Ketterle y Carl Wieman, los cuales fueron galardonados en
2001 con el premio nobel de la física. Los
científicos lograron enfriar los átomos a una
temperatura 300 veces más bajo que lo que se había
logrado anteriormente. Se le ha llamado "BEC, Bose – Einstein
Condensado" y es tan frío y denso que ellos aseguran que
los átomos pueden quedar inmóviles.Sin embargo
todavía no se sabe cuál será el mejor uso
que se le pueda dar a este descubrimiento. Este estado fue
predicho por Einstein y Bose en 1924.

CONDENSADO DE FERMI

Creado en la universidad de Colorado por
primera vez en 1999, el primer condensado de Fermi formado por
átomos fue creado en 2003. El condensado
fermiónico, considerado como el sexto estado de la
materia, es una fase superfluida formada por partículas
fermiónicas a temperaturas bajas. Esta cercanamente
relacionado con el condensado de Bose-Einstein. A diferencia de
los condensados de Bose-Einstein, los fermiones condensados se
forman utilizando fermiones en lugar de bosones.

Dicho de otra forma, el condensado de Fermi
es un estado de agregación de la materia en la que la
materia adquiere superfluidez. Se crea a muy bajas temperaturas,
extremadamente cerca del cero absoluto.

Los primeros condensados fermiónicos
describían el estado de los electrones en un
superconductor. El primer condensado fermiónico
atómico fue creado por Deborah S. Jin en 2003. Un
condensado quiral es un ejemplo de un condensado
fermiónico que aparece en las teorías de los
fermiones sin masa con rompimientos a la simetría
quiral.

Es considerado una falacia para muchos
científicos. La naturaleza del condensado implica que
todas las partículas que lo conforman se encuentran en el
mismo estado cuántico, lo cual es sólo posible si
dichas partículas son bosones. Ahora bien, el Principio de
exclusión de Pauli impide que cualquier pareja de
Fermiones ocupe el mismo estado cuántico al mismo tiempo.
Por lo tanto un condensado fermiónico no puede
existir.

¿Cuál es la diferencia? Los
bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla
general, cualquier átomo con un número par de
electrones+protones+neutrones es un bosón. Así, por
ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y
pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein. Los
fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en
el mismo estado cuántico (por el "Principio de
Exclusión de Pauli" de la mecánica
cuántica). Cualquier átomo con un número
impar de electrones+protones+neutrones, como el potasio-40, es un
fermión.

SUPERSÓLIDO:

Este material es un sólido en el
sentido de que la totalidad de los átomos del helio-4 que
lo componen están congelados en una película
cristalina rígida, de forma similar a como lo están
los átomos y las moléculas en un sólido
normal como el hielo. La diferencia es que, en este caso,
"congelado" no significa "estacionario".

Como la película de helio-4 es tan
fría (apenas un décimo de grado sobre el cero
absoluto), comienzan a imperar las leyes de incertidumbre
cuántica. En efecto, los átomos de helio comienzan
a comportarse como si fueran sólidos y fluidos a la vez.
De hecho, en las circunstancias adecuadas, una fracción de
los átomos de helio comienza a moverse a través de
la película como una sustancia conocida como
"súper-fluido", un líquido que se mueve sin ninguna
fricción. De ahí su nombre de
"súper-sólido".

OTROS ESTADOS DE MATERIA

Existen otros posibles estados de la
materia; algunos de estos sólo existen bajo condiciones
extremas, como en el interior de estrellas muertas, o en el
comienzo del universo después del Big Bang o gran
explosión:

• Superfluido

• Materia degenerada

• Materia fuertemente
  simétrica

• Materia débilmente
  simétrica

• Materia extraña o [Materia de
  Quarks]

Cambios de estado en
la Materia

Fusión

La fusión es un proceso
físico que consiste en el cambio de estado de la materia
del estado sólido al estado líquido por la
acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se
transfiere energía a los átomos que vibran con
más rapidez a medida que gana energía.

El proceso de fusión es el mismo que el de
fundición, pero este término se aplica generalmente
a sustancias como los metales, que se licuan a altas
temperaturas, y a sólidos cristalinos. Cuando una
sustancia se encuentra a su temperatura de fusión, el
calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su
transformación, y no produce variación de su
temperatura. Este calor adicional se conoce como calor de
fusión. El término fusión se aplica
también al proceso de calentar una mezcla de
sólidos para obtener una disolución líquida
simple, como en el caso de las aleaciones.

Sabemos que los sólidos tienen estructura cristalina,
esto es, sus átomos están colocados de forma
regular en determinados puntos, siguiendo las tres dimensiones
del espacio. Estos átomos pueden vibrar en torno a su
posición de equilibrio y si su temperatura aumenta, la
amplitud de sus vibraciones crece, ya que la energía que
reciben se emplea en aumentar su velocidad. Puede llegar un
momento que los enlaces que los retenían en sus posiciones
se rompan, desaparezca la distribución regular o lo que es
lo mismo la estructura cristalina y se inicie el paso al estado
líquido, es decir la fusión.

Punto de fusión: temperatura en la que el sólido
se convierte en líquido; este valor es constante y
específico en cada sustancia, el cambio de sólido a
líquido no sólo se da por aplicación de
calor sino que también aumentando o disminuyendo la
presión según se requiera.

Solidificación

La solidificación es un
proceso físico que consiste en el cambio de estado de la
materia de líquido a sólido producido por una
disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la
fusión.

En general, los compuestos disminuyen de
volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en
el caso del agua aumenta.

En metalurgia

En general, los productos metálicos
se originan en una primera etapa en estado liquido, luego del
cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada
continua. El proceso de solidificación es determinante
para la calidad del producto final, porque si el material queda
defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar
las correcciones en el procesamiento posterior.

Solidificación de
Metales:

La solidificación de metales y
aleaciones es un importante proceso industrial ya que la
mayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una
forma acabada o semiacabada. En general, la solidificación
de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes
etapas:

1. Formación de núcleos
estables en el fundido (nucleación).

2. Crecimiento del núcleo hasta dar
origen a cristales.

3. La formación de granos y
estructura granular.

El aspecto que cada grano adquiere
después de la solidificación del metal depende de
varios factores, de entre los que son importantes los gradientes
térmicos. Los granos denominados equiaxiales, son aquellos
en que su crecimiento ha sido igual en todas las
direcciones.

Los dos mecanismos principales por los que
acontece la nucleación de partículas sólidas
en un metal liquido son: nucleación homogénea y
nucleación heterogénea.

Nucleación homogénea: se
considera en primer lugar la nucleación homogénea
porque es el caso más simple de nucleación. Esta se
da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por
sí mismo los átomos para formar los
núcleos.

Nucleación heterogénea: en
este caso la nucleación sucede en un líquido sobre
la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas
insolubles, u otros materiales estructurales.

Vaporización

La Vaporización es el cambio
de estado de líquido a gaseoso.

Hay dos tipos de vaporización: la
ebullición y la evaporación.

La Ebullición es el cambio de estado
que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al
estado de vapor.

Para que ello ocurra debe aumentar la
temperatura en toda la masa del líquido.

A la temperatura durante la cual se dice
que un determinado líquido hierve se la llama punto de
ebullición.

La diferencia entre la evaporación y
la ebullición, es que en la evaporación, el cambio
de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.
También se encuentra en que en una se necesita mayor
cantidad de calor para que suceda la reacción, y aparte
una es un proceso químico y otra físico.

Cuando se realiza una destilación,
para separar dos o más líquidos de diferente punto
de ebullición, la temperatura permanece constante en el
punto de ebullición de cada uno de los líquidos que
se desea separar de la mezcla.

Condensación

Se denomina condensación al
cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa
a forma líquida. Es el proceso inverso a la
vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a
estado sólido de manera directa, el proceso es llamado
sublimación inversa.

Aunque el paso de gas a líquido
depende, entre otros factores, de la presión y de la
temperatura, generalmente se llama condensación al
tránsito que se produce a presiones cercanas a la
ambiental. Cuando se usa una sobrepresión elevada para
forzar esta transición, el proceso se denomina
licuefacción.

El proceso de condensación suele
tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su punto de
rocío, sin embargo este punto también puede ser
alcanzado variando la presión. El equipo industrial o de
laboratorio necesario para realizar este proceso de manera
artificial se llama condensador.

La condensación es esencial para el
proceso de destilación, un proceso muy importante tanto
para el trabajo en el laboratorio como para aplicaciones
industriales.

Sublimación

La sublimación (del
latín sublimare) o volatilización es el
proceso que consiste en el cambio de estado de la materia
sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado
líquido. Se puede llamar de la misma forma al proceso
inverso; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado
sólido, pero es más apropiado referirse a esa
transición como sublimación inversa o
cristalización; ocurre en las geoditas. Un ejemplo
clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo
seco.

Los sólidos tienen presiones de
vapor características, que oscilan con la temperatura como
sucede con líquidos. Acrecentando la temperatura, aumenta
también la presión de vapor del sólido. El
suceso de la estabilización de un sólido con vapor
saturado, que varía su presión con la temperatura,
a esa inflexión se llama curvatura de sublimación.
Se determina como sublimación el indicar la
conversión directa sólido-vapor, sin la
intervención líquida. Por ejemplo, la
purificación del yodo, azufre, naftaleno o ácido
benzoico resultan muy viable por sublimación, debido a que
las presiones de vapor de estos sólidos tienen valores
bastante elevados.

Los olores característicos de muchas
sustancias sólidas, como las nombradas, son debidos a que
estas sustancias tienen una presión de vapor apreciable a
temperatura ambiente. Otro ejemplo es el más común
para ilustrar sublimación es a través de hielo
seco, que es el nombre común que se le da al CO2
congelado. Cuando el hielo seco se expone al aire, éste se
comienza a sublimar, o a convertirse en vapor. Esto le pasa al
hielo seco porque a temperatura ambiente el gas congelado
prefiere ser gas y no sólido congelado.

SUBLIMACION REGRESIVA O INVERSA

Es el proceso inverso a la
sublimación progresiva, es decir, el paso directo de gas a
sólido. Por ejemplo, cuando se producen vapores al
calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un
objeto que está muy frío; entonces, los vapores se
transformarán nuevamente en cristales de yodo.
Históricamente la palabra sublimado se refirió a
las sustancias formadas por deposición a partir de
«vapores» (gases), como el «sublimado
corrosivo», cloruro mercúrico, formado por
alteración de los calomelanos cristalizado obtenido
durante las operaciones alquímicas.

Cualquier sustancia pura puede sublimarse,
esto debido a condiciones de presiones superiores y temperaturas
inferiores a la que se produce dicha transición. En la
naturaleza la sublimación inversa se observa en la
formación de la nieve o de la escarcha. Las
partículas partiendo de las cuales se produce la
acreción o acrecimiento planetario, se forman por
sublimación inversa a partir de compuestos en estado
gaseoso originados en supernovas.

Este proceso también es conocido
como deposición.

Ionización

Un gas se transforma en plasma cuando la
energía cinética de las partículas del gas
se eleva hasta igualar la energía de ionización del
gas. Cuando alcanza este nivel, las colisiones de las
partículas del gas provocan una rápida
ionización en cascada, y el gas se transforma en plasma.
Si se aporta la suficiente energía aplicando calor, la
temperatura crítica se situará entre 50.000 y
100.000 K, elevándose a cientos de millones de grados, la
temperatura requerida para mantener el plasma. Otro modo de
convertir un gas en plasma consiste en hacer pasar electrones de
alta energía a través del gas.

La ionización es el proceso
químico o físico mediante el cual se producen
iones, éstos son átomos o moléculas cargadas
eléctricamente debido al exceso o falta de electrones
respecto a un átomo o molécula neutro. A la especie
química con más electrones que el átomo o
molécula neutros se le llama anión, y posee una
carga neta negativa, y a la que tiene menos electrones
catión, teniendo una carga neta positiva. Hay varias
maneras por las que se pueden formar iones de átomos o
moléculas.

Deionización

Se le denomina al proceso mediante el cual
el plasma pasa de estado de Plasma o gas ionizado a estar en
estado gaseoso.

Conclusión

Existen varios estados en los que se
presenta la materia, cinco de los cuales son estos:
Sólido, Liquido, Gaseoso, Plasma y Bosé-Einstein.
Los tres primeros estados son los mas comunes y estudiados dentro
de la tierra, aunque es el estado de plasma el mas común
en el universo, ya que de este se componen las estrellas, por
ejemplo, el quinto estado conocido como Bose-Einstein, es un
estado de agregación nuevo en los registros de la ciencia,
pero es tan frío y denso, que se logra cuando un elemento
es enfriado a varios puntos bajo lo logrado habitualmente,
consiguiendo incluso inmovilizar los átomos, según
dicen los científicos. También existen otro estados
observables bajo condiciones extremas de presion y temperatura
como: Condensado de Fermi, el estado de
súpersólido, Superfluido, Materia degenerada,
Materia fuertemente simétrica, Materia débilmente
simétrica y la Materia extraña o [Materia de
Quarks]

Los procesos en los que una sustancia
cambia de estado son:

• La fusión es el cambio de
  estado de sólido a líquido.

• Por el contrario la
  solidificación o congelación es
  el cambio inverso, de líquido a
  sólido.

• La vaporización es el
  cambio de estado de líquido a gas.

• Contrariamente la
  licuación o condensación es el
  cambio inverso, de gas a líquido.

• La sublimación es el
  cambio de estado de sólido a gas.

• El cambio inverso recibe el nombre de
  sublimación regresiva o
  cristalización.

• La ionización es el
  cambio de estado de un gas a plasma.

• En caso contrario, se le llama
  deionización.

Autor:

Héctor
Calfín

Primer año TNS en
Enfermería