Sistemas materiales: estados de agregación, modelo de partículas y clasificación

Duración: 7 sesiones · Saberes: B.1, B.2 · Criterios: 2.1, 2.3, 4.1 · Requisitos previos: unidad 1 (unidades del SI, notación científica, cifras significativas); no se presupone Física y Química de 1.º.

Todo lo que se puede pesar y que ocupa un volumen es materia: el agua de una botella, el aire de una rueda, una roca, la sangre. Cuando se estudia una porción concreta de materia, aislada mentalmente del resto, se habla de un sistema material. Esta unidad responde a dos preguntas sobre los sistemas materiales: por qué se comportan como se comportan (por qué un gas se comprime y un líquido casi no, por qué el hielo funde siempre a la misma temperatura) y de qué están hechos (una sola sustancia o varias mezcladas).

La herramienta para la primera pregunta es un modelo: imaginar que la materia está formada por partículas diminutas en movimiento continuo. Nadie ve esas partículas a simple vista, pero el modelo explica y predice lo que sí se ve y se mide. La segunda pregunta lleva a clasificar los sistemas materiales y a expresar su composición con números, algo que reaparece en química, en medicina (la concentración de un suero), en geología (los gases disueltos en un lago) y en el estudio de la atmósfera.

La materia y sus propiedades

Propiedades generales y características

Algunas propiedades las tiene cualquier sistema material y no sirven para identificarlo: la masa y el volumen. Dos objetos de 1 kg pueden ser de hierro o de madera. Otras propiedades son características de cada sustancia y permiten reconocerla: la densidad (ρ = m/V, en kg/m³ en el SI), la temperatura de fusión, la temperatura de ebullición o la solubilidad en agua.

La densidad no depende de cuánta sustancia haya: un clavo y una viga del mismo acero tienen la misma densidad. Por eso es una propiedad intensiva, como la temperatura. La masa y el volumen, que aumentan con la cantidad de materia, son propiedades extensivas.

Cambios físicos y cambios químicos

Cuando el agua se congela o el azúcar se disuelve, las sustancias siguen siendo las mismas: son cambios físicos. Cuando la madera arde o el hierro se oxida, aparecen sustancias nuevas con propiedades distintas: son cambios químicos o reacciones químicas. La unidad 4 estudia los segundos; en esta unidad todos los procesos que se analizan son físicos.

El modelo cinético-molecular

Los postulados del modelo

El modelo cinético-molecular resume en pocas ideas el comportamiento de la materia:

1. La materia está formada por partículas (átomos, moléculas o iones) muy pequeñas.
2. Las partículas están en movimiento continuo. Cuanto mayor es la temperatura, más rápido se mueven por término medio.
3. Entre las partículas hay fuerzas de atracción que son mayores cuanto más cerca están unas de otras, aunque a distancias muy cortas se repelen.
4. Entre las partículas no hay nada: el espacio que las separa está vacío.

El estado en que se encuentra un sistema depende de la competencia entre las fuerzas de atracción, que tienden a mantener las partículas juntas y ordenadas, y la agitación térmica, que tiende a separarlas.

Sólidos, líquidos y gases

La tabla explica observaciones cotidianas. Un gas se comprime porque la mayor parte de su volumen es espacio vacío entre partículas; un líquido apenas, porque sus partículas ya están en contacto. Un perfume se huele en toda la habitación porque las partículas del gas se mueven y se mezclan con las del aire (difusión).

Temperatura y calor no son lo mismo

En el modelo, la temperatura mide la agitación media de las partículas. Para un gas ideal, la energía cinética media de traslación de cada partícula es proporcional a la temperatura absoluta: ⟨E_c⟩ = (3/2) k T, donde k = 1,380 649 × 10⁻²³ J K⁻¹ es la constante de Boltzmann, una de las siete constantes con valor exacto que definen el SI (BIPM, folleto del SI, 9.ª ed., 2019). A 300 K, ⟨E_c⟩ = 1,5 × 1,380 649 × 10⁻²³ J K⁻¹ × 300 K = 6,21 × 10⁻²¹ J.

El calor no es algo que un cuerpo «tenga», sino energía que se transfiere de un cuerpo a otro porque están a distinta temperatura. Una bañera de agua tibia y una taza de café caliente: el café está a mayor temperatura (sus partículas se agitan más por término medio), pero la bañera puede ceder mucha más energía al enfriarse, porque tiene muchas más partículas. La unidad 5 vuelve sobre el calor como forma de transferir energía.

La escala absoluta de temperatura

Si la temperatura mide la agitación de las partículas, debe existir un límite inferior. La escala Kelvin (unidad SI: el kelvin, K) empieza en él, el cero absoluto, y la relación con la escala Celsius es exacta:

T (K) = t (°C) + 273,15

Así, 0 °C son 273,15 K y 25 °C son 298,15 K. Una diferencia de temperatura vale lo mismo en las dos escalas: subir 10 °C es subir 10 K. En las leyes de los gases siempre se usa la temperatura absoluta: duplicar la temperatura de 10 °C a 20 °C no duplica nada, porque en kelvin se pasa de 283,15 K a 293,15 K.

Cambios de estado

Nombres y sentido de cada cambio

La evaporación ocurre solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en todo el líquido, con formación de burbujas, y a una temperatura concreta que depende de la presión exterior. Por eso en una olla a presión el agua hierve por encima de 100 °C y en lo alto de una montaña hierve por debajo.

La curva de calentamiento: la meseta

Si se calienta hielo a ritmo constante y se registra la temperatura cada cierto tiempo, la gráfica temperatura-tiempo no es una recta. Mientras hay hielo y agua líquida a la vez, la temperatura se mantiene constante aunque se siga aportando energía: aparece una meseta. Lo mismo sucede durante la ebullición.

El modelo lo explica: durante el cambio de estado, la energía que llega no aumenta la agitación media de las partículas (que es lo que mide la temperatura), sino que se emplea en vencer parte de las atracciones entre ellas. La energía necesaria para cambiar de estado la unidad de masa de una sustancia es su calor latente. La temperatura a la que ocurre la meseta es una propiedad característica: sirve para identificar sustancias puras y para comprobar su pureza, porque una mezcla no funde a una temperatura fija, sino en un intervalo. La práctica de esta unidad obtiene así la temperatura de solidificación del ácido láurico.

Los gases y sus leyes

Presión, volumen y temperatura

Un gas encerrado empuja las paredes del recipiente porque sus partículas chocan continuamente con ellas. La presión es la fuerza perpendicular por unidad de superficie, p = F/S, y su unidad SI es el pascal (1 Pa = 1 N/m²). Otras unidades frecuentes son el bar (1 bar = 10⁵ Pa, valor exacto) y la atmósfera (1 atm = 101 325 Pa, valor exacto por definición).

El estado de una cantidad de gas queda descrito por cuatro magnitudes: presión p, volumen V, temperatura absoluta T y cantidad de sustancia n (en moles). Las leyes de los gases relacionan estas magnitudes dos a dos manteniendo constantes las demás:

• Ley de Boyle (n y T constantes): p · V = constante. Si se reduce el volumen a la mitad, la presión se duplica: hay el doble de partículas por unidad de volumen y cada unidad de superficie de las paredes recibe el doble de choques por segundo.
• Ley de Charles (n y p constantes): V / T = constante. Un globo se hincha al calentarse.
• Ley de Gay-Lussac (n y V constantes): p / T = constante. Por eso un aerosol no debe calentarse: el envase es rígido y la presión crece con T.

La ecuación de los gases ideales

Las tres leyes, junto con el hecho de que a igual p y T el volumen es proporcional a la cantidad de gas, se reúnen en una sola ecuación:

p V = n R T

R es la constante molar de los gases. Su valor es exacto en el SI desde 2019, porque es el producto de dos constantes exactas (R = N_A · k): R = 8,314 462 618… J mol⁻¹ K⁻¹ (CODATA 2022, NIST). Con presiones en atmósferas y volúmenes en litros, R = 0,082 06 atm L mol⁻¹ K⁻¹. Las dos expresiones son el mismo número en unidades distintas; el error habitual es mezclarlas. Si se usa R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹, la presión va en Pa y el volumen en m³, porque 1 J = 1 Pa · m³.

Una consecuencia útil: un mol de cualquier gas ideal a 273,15 K y 100 kPa ocupa 22,71 L (CODATA). A 273,15 K y 101 325 Pa, el valor clásico es 22,41 L. Los dos son correctos; cambian las condiciones.

Un gas real se comporta como ideal cuando sus partículas están muy separadas: presiones bajas y temperaturas alejadas de las de condensación. El aire de una habitación lo cumple muy bien; el gas de una bombona de 200 bar, peor.

Clasificación de los sistemas materiales

Sustancias puras y mezclas

Un sistema material puede estar formado por una sola sustancia o por varias:

• Una sustancia pura tiene composición fija y propiedades características constantes (funde y hierve a temperaturas definidas). Puede ser un elemento, formado por una sola clase de átomos (oxígeno, O₂; hierro, Fe), o un compuesto, formado por átomos de distintos elementos unidos en una proporción fija (agua, H₂O; cloruro de sodio, NaCl). Un compuesto solo se descompone en sus elementos mediante una reacción química.
• Una mezcla está formada por dos o más sustancias que conservan sus propiedades y cuya proporción puede variar. Es heterogénea si se distinguen partes con propiedades distintas (granito, agua con arena) y homogénea o disolución si su composición y sus propiedades son iguales en cualquier punto (agua de mar filtrada, aire, bronce).

Entre unas y otras están los coloides (leche, niebla, gelatina): a simple vista parecen homogéneos, pero contienen partículas de tamaño intermedio que dispersan la luz, por lo que un haz de luz que los atraviesa se hace visible (efecto Tyndall).

Mezcla no es compuesto; disolver no es fundir

Una mezcla de hidrógeno y oxígeno y el agua contienen los mismos elementos, pero no son lo mismo. En la mezcla, cada gas conserva sus propiedades y la proporción puede ser cualquiera; en el agua, los átomos están unidos en proporción fija (dos de hidrógeno por cada uno de oxígeno) y las propiedades son otras: el agua no arde, mientras que la mezcla de los dos gases es explosiva.

Tampoco es lo mismo disolver que fundir. El azúcar que «desaparece» en el café no se ha fundido (el azúcar común, la sacarosa, funde hacia 186 °C y se descompone al hacerlo, según PubChem): sus moléculas se han separado y dispersado entre las del agua, a temperatura ambiente. La fusión es el cambio de estado de una sustancia; la disolución es la formación de una mezcla homogénea de dos o más.

Separar los componentes de una mezcla

Como los componentes de una mezcla conservan sus propiedades, se pueden separar por métodos físicos que aprovechan sus diferencias:

La concentración de una disolución

La composición de una disolución se expresa con su concentración:

• Masa por volumen (g/L): masa de soluto / volumen de disolución.
• Porcentaje en masa (%): (masa de soluto / masa de disolución) × 100.
• Concentración molar o molaridad (mol/L): moles de soluto / volumen de disolución en litros.

Por ejemplo, una disolución con 9,0 g de cloruro de sodio por litro tiene una concentración de 9,0 g/L. Como M(NaCl) = 22,990 + 35,45 = 58,44 g/mol, su molaridad es 9,0 g/L ÷ 58,44 g/mol = 0,15 mol/L. Disolver 10,0 g de azúcar en 190,0 g de agua da 200,0 g de disolución al 5,00 % en masa: la masa de disolución incluye la del soluto.

La concentración es el puente con la biología y la salud: las dosis de un medicamento, la salinidad del agua de mar que condiciona a los organismos que viven en ella o la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera (unidad 8) se expresan con estas magnitudes o con otras equivalentes, como las partes por millón.

Glosario

• Sistema material: porción de materia que se aísla para estudiarla.
• Propiedad característica: propiedad que permite identificar una sustancia (densidad, temperatura de fusión o de ebullición).
• Modelo cinético-molecular: modelo según el cual la materia está formada por partículas en movimiento continuo, con atracciones entre ellas y vacío en medio.
• Temperatura absoluta: temperatura medida en kelvin desde el cero absoluto; T (K) = t (°C) + 273,15.
• Calor: energía que se transfiere entre dos cuerpos a causa de su diferencia de temperatura.
• Calor latente: energía necesaria para que la unidad de masa de una sustancia cambie de estado, sin cambiar su temperatura.
• Presión: fuerza perpendicular por unidad de superficie; en el SI se mide en pascales (Pa).
• Gas ideal: modelo de gas cuyas partículas no ocupan volumen ni se atraen; lo cumplen bien los gases reales a presiones bajas.
• Sustancia pura: sistema de composición fija y propiedades características constantes; puede ser elemento o compuesto.
• Mezcla: sistema formado por varias sustancias que conservan sus propiedades, en proporción variable.
• Disolución: mezcla homogénea; consta de disolvente y uno o más solutos.
• Concentración: cantidad de soluto en una cantidad dada de disolución o de disolvente.

Para profundizar

• Valores de las constantes físicas (CODATA 2022) — NIST. Ficha de la constante molar de los gases y de la constante de Boltzmann, con su condición de valores exactos. physics.nist.gov
• Masas atómicas estándar — Comisión de Abundancias Isotópicas y Pesos Atómicos (CIAAW) de la IUPAC. Las masas atómicas que se usan para calcular masas molares. ciaaw.org
• Estados de la materia — PhET, Universidad de Colorado. Simulación en español del modelo de partículas: calentar, enfriar y comprimir sustancias y ver qué hacen sus partículas. phet.colorado.edu
• Propiedades de los gases — PhET, Universidad de Colorado. Simulación en español para comprobar las leyes de los gases variando p, V, T y n. phet.colorado.edu
• Jean Perrin, conferencia Nobel (1926) — Fundación Nobel. El propio Perrin explica sus pruebas experimentales de la existencia de las moléculas. nobelprize.org

Preguntas para reflexionar

1. Un anuncio de un agua embotellada dice que es «agua pura sin productos químicos». A partir de la clasificación de los sistemas materiales, ¿qué hay de correcto y qué de incorrecto en esa frase?
2. En el lago Nyos, la causa del desastre no fue un gas tóxico, sino un gas que forma parte del aire que respiramos. ¿Qué nos dice el caso sobre la idea de que una sustancia es «peligrosa» o «inofensiva» en sí misma, sin tener en cuenta la cantidad y las condiciones?
3. Si la temperatura mide la agitación media de las partículas, ¿qué sentido tiene decir que una prenda de lana «da calor»?