Fases y clasificación de la materia (Química)

Estados de la materia

La materia se define como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa, y está en todo lo que nos rodea. Los sólidos y los líquidos son materia de forma obvia: podemos ver que ocupan espacio, y su peso nos indica que tienen masa. Los gases también son materia; si los gases no ocuparan espacio, un globo permanecería colapsado en lugar de inflarse cuando se llena de gas.

Estado sólido

En el estado sólido, la materia se caracteriza por una forma y un volumen fijos. Los átomos están dispuestos en una red estable y ordenada, unidos por fuertes fuerzas interatómicas. Cada átomo vibra alrededor de una posición de equilibrio pero no migra.

Para metales como el oro o el plutonio, esta red es típicamente cristalina, lo que permite propiedades como la rigidez, la densidad y la conductividad eléctrica. Los niveles de energía son lo suficientemente bajos como para que los enlaces atómicos permanezcan intactos y se preserve el orden de largo alcance.

Estado líquido

En el estado líquido, la materia conserva un volumen fijo pero no una forma fija. Los átomos o iones permanecen estrechamente agrupados, aunque los enlaces entre ellos se debilitan lo suficiente como para permitir el movimiento relativo.

La estructura de la red colapsa en un orden de corto alcance: las partículas se reorganizan continuamente mientras permanecen en contacto. Los líquidos fluyen, transmiten la presión de manera eficiente y presentan tensión superficial. Este estado surge cuando la energía térmica supera la rigidez de la red sólida, pero no la cohesión entre las partículas.

Estado gaseoso

En el estado gaseoso, la materia no tiene ni forma ni volumen fijos. Los átomos o moléculas están ampliamente separados, moviéndose libre y rápidamente, con una interacción mínima excepto durante las colisiones.

Las fuerzas interatómicas son despreciables en comparación con la energía cinética. Los gases se expanden para llenar el espacio disponible, son altamente compresibles y tienen una densidad baja. Este estado ocurre cuando la energía térmica supera totalmente las fuerzas cohesivas, permitiendo que las partículas se comporten de manera independiente.

Estado de plasma

El plasma es un estado ionizado de la materia, formado cuando los niveles de energía son tan extremos que los electrones son arrancados de los átomos. El resultado es una mezcla cargada de electrones libres e iones positivos.

A diferencia de los gases ordinarios, el plasma es eléctricamente conductor, emite radiación intensa y responde fuertemente a los campos electromagnéticos. El comportamiento colectivo domina sobre el movimiento de las partículas individuales. En este estado, la estructura química convencional deja de existir: la materia se rige principalmente por interacciones electromagnéticas y de escala nuclear.

El plasma representa el estado clásico de la materia con mayor energía, comúnmente presente en las estrellas, los rayos y los fenómenos astrofísicos o de laboratorio de alta energía.

Masa y peso

La materia bajo investigación puede existir como un conjunto complejo de diversas sustancias. Tales especímenes pueden tomar la forma de compuestos químicos, soluciones homogéneas o agregados heterogéneos, apareciendo a menudo como una colección de muestras variadas. Ya sea que se observe una sustancia singular o una mezcla multifacética, las propiedades del objeto de estudio están determinadas tanto por su composición química como por el estado físico de sus partes constituyentes.

Ciertas sustancias manifiestan características asociadas con múltiples estados de la materia simultáneamente. Este fenómeno se observa con frecuencia en materiales granulares, donde la muestra a granel está compuesta por una miríada de partículas discretas. La arena, por ejemplo, puede «verterse» de una manera que sugiere un líquido, pero consiste en granos individuales que permanecen resueltamente sólidos. Además, la materia puede exhibir propiedades de varios estados cuando existe como una mezcla. Un ejemplo notable se encuentra en las nubes; aunque parecen comportarse como un gas, son en realidad aerosoles: mezclas compuestas de aire en estado gaseoso y diminutas partículas de agua, que pueden ser gotas líquidas o cristales de hielo sólido.

La masa de un cuerpo constituye una medida de la cantidad de materia contenida en él. Un método fundamental para determinar la masa de un objeto implica establecer la magnitud de la fuerza necesaria para impartir una aceleración específica; por ejemplo, se requiere una fuerza mucho mayor para acelerar un automóvil que una bicicleta, debido a la masa enormemente superior del automóvil. En la práctica común, sin embargo, la masa se determina con mayor frecuencia mediante el empleo de una balanza, un instrumento utilizado para comparar la masa desconocida de un objeto con una masa de referencia estandarizada.

Si bien el peso está fundamentalmente asociado con la masa, es imperativo distinguir entre estos dos conceptos. El peso denota la fuerza gravitatoria ejercida sobre un cuerpo, una magnitud que existe en proporción directa a la masa de dicho cuerpo. En consecuencia, mientras que el peso de un objeto fluctúa de acuerdo con la intensidad local de la gravitación, su masa permanece como una propiedad invariante. Considere, por ejemplo, a una astronauta: su masa permanece inalterada tras su llegada a la superficie lunar, pero su peso se reduce a una sexta parte de su valor terrestre, ya que la atracción gravitatoria de la Luna es solo una fracción de la de la Tierra. Aunque pueda experimentar una sensación de «ingravidez» cuando las fuerzas externas son despreciables, ella, en un sentido físico, nunca carece de masa, pues la cantidad de materia que comprende permanece constante.

La ley de conservación de la materia

Resume muchas observaciones científicas sobre la materia: establece que no hay un cambio detectable en la cantidad total de materia presente cuando la materia se convierte de un tipo a otro (un cambio químico) o cambia entre los estados sólido, líquido o gaseoso (un cambio físico). La elaboración de cerveza y el funcionamiento de las baterías proporcionan ejemplos de la conservación de la materia.

Dentro de un recipiente aislado, colocamos varios ingredientes constituyentes; para nuestro propósito, dejemos que el contenido final incluya trigo, agua, azúcar, huevo, sal y aceite de oliva. Este recipiente se somete luego a una mezcladora vibratoria para lograr una composición uniforme. Posteriormente, el recipiente se coloca dentro de un horno y se hornea a 200 °C (400 °F) durante un periodo de treinta a treinta y cinco minutos.

El recipiente mismo está diseñado con una sección secundaria discreta, que presenta un mecanismo de válvula de retención y una cámara construida de caucho térmicamente resistente. Antes del comienzo del proceso de horneado, se pesa el recipiente y el peso bruto total se registra meticulosamente.

Experimento de conservación de la materia

Tras la conclusión del tratamiento térmico, obtenemos una hogaza de pan —bien formada y de consistencia seca— junto con un tanque secundario que contiene vapor capturado. En esta etapa, se repite el procedimiento de pesaje. Los resultados demuestran que los valores registrados antes y después del proceso son precisamente idénticos.

Este experimento ilustra que la materia inicial, sin modificar, y la «sopa» posterior del producto tras el horneado permanecen iguales en peso. En consecuencia, también se demuestra que su masa es igual, ya que las mediciones se realizaron en el mismo lugar y bajo condiciones ambientales idénticas.

Si bien esta ley de conservación se cumple para cada conversión de la materia, las demostraciones convincentes son notablemente raras en la experiencia común. Esta escasez surge porque, fuera de las estrictas condiciones mantenidas en un laboratorio, rara vez se logra recolectar la totalidad de las sustancias producidas durante una transformación específica. Considere, por ejemplo, los procesos biológicos de ingestión y digestión: aunque toda la materia del alimento original se preserva estrictamente, una parte significativa se incorpora a la propia estructura del cuerpo, mientras que el resto se evacua como diversos tipos de desechos. Por consiguiente, la verificación empírica de esta ley mediante la medición directa sigue siendo un desafío formidable en tales sistemas complejos.

Además, como se habrá observado, hemos diseñado ciertos aparatos sofisticados —en particular la cámara con capacidades de volumen dinámico y los otros refinamientos detallados en nuestra descripción experimental— para que nuestras observaciones sean transparentes. Estas innovaciones sirven para demostrar que la realidad de los sistemas físicos es un asunto polifacético, que depende frecuentemente de las complejidades del mundo en general, el cual funciona como un sistema abierto.

También se debe reconocer la importancia capital de un enfoque científico riguroso: en cualquier etapa de la vida científica, es esencial tener en cuenta tanto el entorno aislado e idealizado teórico como los sistemas abiertos que se encuentran en el mundo real.

Átomos y Moléculas

Un átomo representa la partícula más diminuta de un elemento que conserva las propiedades inherentes de dicha sustancia y es capaz de participar en una combinación química. Considérese, a modo de ilustración, el elemento oro. Concíbase el acto de bisecar una pepita de oro, dividiendo posteriormente las porciones resultantes de manera repetida hasta que reste un fragmento de oro tan diminuto que desafíe toda división ulterior, independientemente de la finura del instrumento empleado. Esta porción última e irreducible constituye un átomo —término derivado del griego atomos, que significa 'indivisible'. Este átomo dejaría de ser oro si se dividiera aún más.

El postulado inicial de que la materia está compuesta por átomos se atribuye a los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, quienes formularon sus doctrinas en el siglo V a. C. No obstante, no fue sino hasta los albores del siglo XIX cuando John Dalton (1766–1844), un maestro de escuela británico poseedor de una profunda devoción por la investigación científica, corroboró esta hipótesis mediante rigurosas mediciones cuantitativas.

Desde aquella época, la experimentación repetida ha corroborado numerosos aspectos de esta hipótesis, la cual ha ascendido subsecuentemente a la posición de teoría fundamental dentro del ámbito de la química. Algunos otros principios de la teoría atómica de Dalton permanecen en uso hasta el día de hoy, si bien sujetos a enmiendas menores; se ofrece una exposición exhaustiva de estos preceptos en el discurso subsiguiente sobre átomos y moléculas.

Fotografía macroscópica: pepita de oro (Au).

Esta fotografía muestra una pepita de oro.

Imagen microscópica de la estructura del oro en estado sólido.

Un microscopio de efecto túnel (STM) puede generar vistas de las superficies de los sólidos, como esta imagen de un cristal de oro. Cada esfera representa un átomo de oro.

Un átomo posee una magnitud tan infinitesimal que sus dimensiones resultan sumamente difíciles de concebir para la mente humana. Entre los objetos más minúsculos perceptibles a simple vista se encuentra el hilo de una tela de araña; tales fibras miden aproximadamente cm (0,0001 cm) de diámetro. Si bien la sección transversal de una sola fibra es virtualmente imposible de percibir sin el auxilio de un microscopio, esta sigue siendo colosal cuando se mide en una escala atómica. Un solo átomo de carbono en dicha fibra posee un diámetro de aproximadamente cm (0,000000015 cm); por consiguiente, se requerirían unos 7.000 átomos de carbono para cubrir el diámetro de una sola fibra. Para brindar al alumno una perspectiva más clara: si un átomo de carbono se aumentara hasta alcanzar el tamaño de una moneda pequeña, la sección transversal de la fibra de araña excedería entonces las dimensiones de un campo de fútbol, requiriendo aproximadamente 150 millones de tales «monedas» para cubrir su superficie.

Cápsula de algodón madura

He aquí la cápsula de algodón tal como se observa regularmente en la naturaleza.

El nivel estructural

Aquí se puede observar un mapa esquemático de la organización de la planta de algodón a nivel tisular.

El nivel celular de la organización del tejido de algodón

Observación microscópica de las células vegetales.

Estructura molecular de los tejidos orgánicos fibrosos de la flor de algodón

Aquí se representa la estructura molecular de la fibra de algodón (proporcionada como un esquema simplificado; la verdadera estructura de la fibra es mucho más compleja y comprende numerosos componentes orgánicos).

Esquema de una molécula orgánica singular dentro del tejido de algodón

Para profundizar en nuestro estudio, examinemos la estructura molecular orgánica individual del tejido de algodón (observando, como anteriormente, que la molécula se presenta aquí en una forma simplificada).

Un átomo es tan ligero que su masa resulta igualmente difícil de imaginar. Mil millones de átomos de plomo (1.000.000.000 de átomos) pesan aproximadamente gramos, una masa que es por demás ligera para ser pesada incluso en las balanzas más sensibles del mundo. Se requerirían más de 300.000.000.000.000 de átomos de plomo (300 billones, o ) para que pudiesen ser pesados, e incluso entonces pesarían apenas 0,0000001 gramos.

Es infrecuente hallar colecciones de átomos individuales en la naturaleza. Solo unos pocos elementos selectos, tales como los gases nobles helio, neón y argón, consisten en átomos individuales que se desplazan independientemente unos de otros. Otros elementos, como los gases hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro, están compuestos por unidades discretas que consisten en pares de átomos.

Resulta inusual encontrar agrupaciones de átomos individuales. Solo unos pocos elementos, tales como los gases helio, neón y argón, constan de una colección de átomos individuales que se mueven de forma independiente entre sí. Otros elementos, como los gases hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro, están compuestos por unidades que consisten en pares de átomos.

Una de las formas del elemento fósforo consta de unidades compuestas por cuatro átomos de fósforo. El elemento azufre existe en diversas formas, una de las cuales consiste en unidades compuestas por ocho átomos de azufre. Estas unidades se denominan moléculas. Una molécula consta de dos o más átomos unidos por fuerzas poderosas llamadas enlaces químicos.

Los átomos en una molécula se desplazan como una unidad, de manera muy similar a las latas de refresco en un paquete de seis o a un manojo de llaves unidas en un mismo llavero. Una molécula puede constar de dos o más átomos idénticos, como en las moléculas que se encuentran en los elementos hidrógeno, oxígeno y azufre; o puede constar de dos o más átomos diferentes, como en las moléculas que se encuentran en el agua.

Cada molécula de agua es una unidad que contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada molécula de glucosa es una unidad que contiene seis átomos de carbono, doce átomos de hidrógeno y seis átomos de oxígeno. Al igual que los átomos, las moléculas son increíblemente pequeñas y ligeras. Si un vaso de agua ordinario se ampliara hasta alcanzar el tamaño de la Tierra, las moléculas de agua en su interior tendrían, aproximadamente, el tamaño de pelotas de golf.

Hidrógeno

Una representación esquemática del hidrógeno. En condiciones terrestres estándar, se encuentra típicamente en compuestos o como un gas diatómico, que consiste en dos átomos de hidrógeno unidos entre sí.

Oxígeno

Un símbolo esquemático, usualmente representado como una esfera roja. En condiciones naturales en la Tierra, se encuentra principalmente como una molécula diatómica (O₂) o dentro de compuestos químicos. Es un elemento extremadamente activo químicamente.

Fósforo

Un esquema molecular que representa el fósforo blanco, el cual consiste en cuatro átomos de fósforo dispuestos en una estructura tetraédrica (P₄).

Azufre

Una representación esquemática del alótropo más estable del azufre, que consiste en ocho átomos de azufre dispuestos en un anillo fruncido con forma de corona (S₈).

Agua

Un esquema molecular del agua (H₂O), que muestra un átomo de oxígeno central unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno en una forma característica angular o en 'V'.

Dióxido de carbono

Una representación esquemática de una molécula de dióxido de carbono (CO₂), que muestra un átomo de carbono central unido por enlaces dobles a dos átomos de oxígeno en una disposición lineal.

Glucosa

Un esquema molecular complejo que representa la glucosa (C₆H₁₂O₆), mostrando la disposición de seis átomos de carbono, doce de hidrógeno y seis de oxígeno, típicamente representada en su estructura cíclica estable.

La Clasificación de la Materia

A fin de simplificar la situación inicial, expondremos aquí una definición de la clasificación de la materia que sea a la vez sencilla y comprensible, junto con un método para su distinción.

Ciertamente, esto no constituye sino una introducción simplificada a las técnicas de clasificación química; no obstante, es menester comenzar por algún punto, ¡y este es el lugar indicado!

La materia puede clasificarse en diversas categorías distintas, dos de las cuales son las mezclas y las sustancias puras. Una sustancia pura posee una composición constante; por consiguiente, todos los especímenes de una sustancia pura exhiben exactamente la misma constitución y propiedades.

Por ejemplo, cualquier muestra de sacarosa (azúcar de mesa) consiste en un 42,1 % de carbono, un 6,5 % de hidrógeno y un 51,4 % de oxígeno por masa. Cualquier espécimen de sacarosa muestra asimismo las mismas propiedades físicas —tales como el punto de fusión, el color y el sabor dulce— independientemente de la fuente de la cual haya sido aislado.

Las sustancias puras pueden dividirse además en dos clases distintas: elementos y compuestos.

Aquellas sustancias puras que no pueden ser descompuestas en sustancias más simples por medio de un cambio químico se denominan elementos. Entre los más de cien elementos conocidos, se incluyen ejemplos familiares como el hierro, la plata, el oro, el aluminio, el azufre, el oxígeno y el cobre.

De estos elementos, aproximadamente noventa se hallan de forma natural en la Tierra, mientras que unas dos docenas han sido creadas artificialmente en los laboratorios.

Las sustancias puras que pueden ser descompuestas mediante cambios químicos se denominan compuestos. Esta descomposición puede producir elementos, otros compuestos, o ambos. El óxido de mercurio (II), un sólido cristalino de color naranja, puede descomponerse por el calor en los elementos mercurio y oxígeno.

Cuando se calienta en ausencia de aire, el compuesto sacarosa se descompone en el elemento carbono y el compuesto agua. (La etapa inicial de este proceso, cuando el azúcar se torna de color marrón, se conoce como caramelización; esto es lo que imparte el característico sabor dulce y con notas de nuez a las manzanas acarameladas, las cebollas caramelizadas y el caramelo).

El cloruro de plata (I) es un sólido blanco que puede descomponerse en sus elementos, plata y cloro, mediante la absorción de luz. Esta propiedad constituye la base del uso de este compuesto en las películas fotográficas y en los lentes fotocromáticos (aquellos con cristales que se oscurecen al ser expuestos a la luz).

Óxido de mercurio (II) (HgO)

Se muestra aquí el experimento de descomposición del HgO (óxido de mercurio), ilustrando el compuesto químico en forma de polvo dentro de un tubo de ensayo.

El compuesto se descompone en gotas plateadas de mercurio líquido y gas oxígeno invisible.

Se pueden observar los resultados de la reacción: gotas plateadas del mercurio líquido liberado en las paredes del tubo y gas oxígeno, el cual es invisible. La descomposición se inicia mediante el calentamiento del compuesto.

Las propiedades de los elementos combinados difieren de aquellas que poseen en su estado libre o no combinado. Por ejemplo, el azúcar cristalino blanco (sacarosa) es un compuesto resultante de la combinación química del elemento carbono —el cual se presenta como un sólido negro en una de sus formas no combinadas— y de los dos elementos hidrógeno y oxígeno, los cuales son gases incoloros en su estado libre. El sodio elemental, que es un sólido metálico blando y brillante, y el cloro libre, elemento que consiste en un gas de color amarillo verdoso, se combinan para formar el cloruro de sodio (sal de mesa), un compuesto que se manifiesta como un sólido cristalino de color blanco.

Un complejo o mezcla se compone de dos o más tipos de materia que pueden hallarse en proporciones variables y que pueden ser separados mediante cambios físicos, tales como la evaporación (proceso sobre el cual el lector recibirá más amplias lecciones ulteriormente). Una mezcla cuya constitución varíe de un punto a otro se denomina mezcla heterogénea. El aderezo italiano constituye un ejemplo palmario de mezcla heterogénea.

Su composición es susceptible de variar por cuanto podemos elaborarlo a partir de cantidades diversas de aceite, vinagre y hierbas aromáticas. No guarda la misma uniformidad en todos sus puntos —una gota puede consistir principalmente en vinagre, mientras que otra distinta puede contener mayormente aceite o hierbas, debido a que el aceite y el vinagre tienden a separarse y las hierbas a sedimentarse. Otros ejemplos de mezclas heterogéneas son las galletas con chispas de chocolate (en las cuales se distinguen los fragmentos de chocolate, nueces y la masa) y el granito (donde el observador puede identificar el cuarzo, la mica, el feldespato y otros minerales).

Una mezcla homogénea, llamada asimismo disolución, exhibe una constitución uniforme y presenta visualmente la misma apariencia en toda su masa. Un ejemplo de disolución es la bebida para deportistas, la cual consiste en agua, azúcar, colorantes, saborizantes y electrolitos, todos ellos mezclados de forma enteramente uniforme.

Cada gota de una bebida para deportistas posee idéntico sabor, puesto que cada una contiene las mismas proporciones de agua, azúcar y demás componentes. Nótese que la constitución de tal bebida puede variar —podría elaborarse con una cantidad mayor o menor de azúcar o saborizante y seguiría siendo una bebida para deportistas. Otros ejemplos de mezclas homogéneas incluyen el aire, el jarabe de arce, el petróleo y la solución de sal en agua.

Si bien apenas se cuentan poco más de cien elementos, de sus diversas combinaciones resultan decenas de millones de compuestos químicos. Cada compuesto posee una composición específica y goza de propiedades químicas y físicas definidas, mediante las cuales nos es dado distinguirlo de todos los demás. Y, por supuesto, existen innumerables maneras de combinar elementos y compuestos para formar mezclas diferentes. En el esquema siguiente se presenta un resumen de los métodos para distinguir las diversas clasificaciones mayores de la materia:

Once elementos integran aproximadamente el noventa y nueve por ciento de la corteza terrestre y de la atmósfera. De esta cantidad total, el oxígeno constituye cerca de la mitad, en tanto que el silicio representa alrededor de una cuarta parte. La mayor parte de los elementos en la Tierra se descubren en combinación química con otros; no obstante, cerca de una cuarta parte de los mismos se hallan también en estado libre.

Composición elemental de la Tierra
Elemento	Símbolo	Porcentaje en masa
oxígeno	O	49.20
silicio	Si	25.67
aluminio	Al	7.50
hierro	Fe	4.71
calcio	Ca	3.39
sodio	Na	2.63
potasio	K	2.40
magnesio	Mg	1.93
hidrógeno	H	0.87
titanio	Ti	0.58
cloro	Cl	0.19
fósforo	P	0.11
manganeso	Mn	0.09
carbono	C	0.08
azufre	S	0.06
bario	Ba	0.04
nitrógeno	N	0.03
flúor	F	0.03
estroncio	Sr	0.02
todos los demás	-	0.47

Descomposición del agua: experimento frente a realidad

El agua consta de los elementos hidrógeno y oxígeno combinados en una relación de 2 a 1. El agua puede descomponerse en gases de hidrógeno y oxígeno mediante la adición de energía. Una forma de hacerlo es con una batería o fuente de alimentación.

La descomposición del agua implica un reordenamiento de los átomos de las moléculas de agua en moléculas diferentes, cada una compuesta por dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno, respectivamente. Dos moléculas de agua forman una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno.

La representación de lo que ocurre, , se explorará con más profundidad en capítulos posteriores.

Descomposición del agua / Producción de hidrógeno

La descomposición del agua se muestra en los niveles macroscópico, microscópico y simbólico. La batería proporciona una corriente eléctrica (microscópica) que descompone el agua. En el nivel macroscópico, el líquido se separa en los gases hidrógeno (a la izquierda) y oxígeno (a la derecha). Simbólicamente, este cambio se presenta mostrando cómo el H2O líquido se separa en gases H2 y O2.

Los dos gases producidos tienen propiedades claramente diferentes. El oxígeno no es inflamable pero es necesario para la combustión de un combustible, mientras que el hidrógeno es altamente inflamable y una potente fuente de energía. ¿Cómo podría aplicarse este conocimiento en nuestro mundo? Una aplicación consiste en la investigación de transportes más eficientes en el consumo de combustible. Los vehículos de pila de combustible (VPC) funcionan con hidrógeno en lugar de gasolina.

Son más eficientes que los vehículos con motores de combustión interna, no contaminan y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que nos hace menos dependientes de los combustibles fósiles. Sin embargo, los VPC aún no son económicamente viables y la producción actual de hidrógeno depende del gas natural. Si logramos desarrollar un proceso para descomponer el agua de forma económica, o producir hidrógeno de otra manera respetuosa con el medio ambiente, los VPC pueden ser el camino del futuro.

Concepto de generación de energía mediante la reacción química de hidrógeno y oxígeno

Una pila de combustible genera energía eléctrica a partir de hidrógeno y oxígeno mediante un proceso electroquímico y produce únicamente agua como subproducto.