Los cambios de estado y energía están involucrados

La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa espacio. Todo lo que vemos a nuestro alrededor está hecho de materia, y la materia existe en diferentes formas llamadas estados. Los principales estados de la materia son sólido, líquido y gas. También hay estados menos comunes, como el plasma y los condensados de Bose-Einstein, pero para simplificar, nos centraremos en los tres primeros. Entender cómo la materia cambia de un estado a otro es fundamental en química. En esta lección, exploraremos estos cambios de estado y la energía involucrada en tales procesos.

Entendiendo los estados de la materia

Antes de discutir los cambios de estado, comprendamos brevemente cada estado de la materia:

• Sólido: En el estado sólido, la materia tiene una forma y un volumen definidos. Las partículas están cerca unas de otras y vibran en su lugar.
• Líquido: En el estado líquido, la sustancia tiene un volumen fijo pero toma la forma de su contenedor. Las partículas están menos apretadas que en los sólidos y pueden moverse entre ellas.
• Gas: En el estado gaseoso, la materia no tiene forma ni volumen definidos. Las partículas del gas están lejos unas de otras y se mueven libremente.

Cambios de estado

El cambio de estado se refiere a la transformación de la materia de un estado a otro. Estos cambios son físicos, es decir, no hay cambio en la composición química de la materia.

Fusión - de sólido a líquido

La fusión ocurre cuando una sustancia sólida se convierte en líquida. Esto sucede cuando una sustancia sólida absorbe suficiente energía térmica para descomponer la estructura rígida de sus partículas. Por ejemplo, cuando el hielo (agua sólida) absorbe calor, se derrite y se convierte en agua líquida.

        H 2 O (s) → H 2 O (l)
    

Congelación del hielo - de líquido a sólido

La congelación es el cambio de un líquido a un sólido. Esto ocurre cuando el líquido pierde energía térmica y sus partículas se ralentizan y forman una estructura rígida. Por ejemplo, cuando el agua se congela, se convierte en hielo.

        H 2 O (l) → H 2 O (s)
    

Evaporación - de líquido a gas

La vaporización ocurre cuando un líquido se convierte en gas. Esto puede suceder de dos maneras: evaporación y ebullición. En la vaporización, solo las partículas de la superficie del líquido ganan suficiente energía para convertirse en gas. En la ebullición, las partículas dentro del líquido ganan suficiente energía.

        H 2 O (l) → H 2 O (g)
    

Considere la formación de vapor por la ebullición del agua. A medida que se aplica calor, las partículas se mueven más rápido hasta que escapan a la fase gaseosa.

Condensación - de gas a líquido

La condensación ocurre cuando un gas se convierte en líquido. Esto sucede cuando el gas pierde energía térmica y sus partículas se acercan para convertirse en líquido. Ejemplos incluyen el vapor de agua que se condensa en rocío sobre el pasto.

        H 2 O (g) → H 2 O (l)
    

Sublimación - de sólido a gas

La sublimación es el proceso en el cual una sustancia sólida cambia directamente a gas sin convertirse en líquido. El hielo seco, que es dióxido de carbono sólido, es un ejemplo común. Sublima a temperaturas por debajo del punto de congelación.

        CO 2 (s) → CO 2 (g)
    

Deposición - de gas a sólido

La deposición es el reverso de la sublimación. Aquí, el gas cambia directamente a sólido. La formación de escarcha en superficies frías es un ejemplo de esto, donde el vapor de agua se convierte en hielo sin convertirse en agua.

        H 2 O (g) → H 2 O (s)
    

Cambios de energía involucrados en un cambio de estado

Cada cambio de estado involucra energía. La energía se absorbe o se libera durante estos procesos:

• Procesos endotérmicos: Son cambios donde se absorbe energía del entorno circundante. La fusión, la evaporación y la sublimación son endotérmicas porque requieren la absorción de calor para superar las fuerzas de atracción entre partículas.
• Procesos exotérmicos: Estos cambios involucran la liberación de energía al entorno circundante. La solidificación, la condensación y la deposición son procesos exotérmicos porque liberan calor cuando las partículas se acercan entre sí.

Ejemplo visual de fusión

En la ilustración anterior, puede ver un sólido (representado por un rectángulo) que absorbe energía y se transforma en un líquido (representado por un círculo).

Papel de la temperatura y la presión en el cambio de fase

Los cambios de estado se ven afectados por la temperatura y la presión. La temperatura mide la energía cinética de las partículas. El aumento de la temperatura generalmente proporciona la energía necesaria para cambios como la fusión y la vaporización.

Por otro lado, la presión puede afectar la interacción de las partículas. Por ejemplo, aumentar la presión sobre un gas puede llevar a la condensación, ya que las partículas se acercan entre sí.

Ejemplo visual de evaporación

En este ejemplo simple, a medida que se agrega calor, el líquido se convierte en gas, aumentando la energía de las partículas hasta que escapan al aire.

Ejemplos y aplicaciones en la vida real

Cocina

La cocina implica muchos cambios distintos. Hervir agua implica cambiar de líquido a gas. Congelar un postre implica cambiar de líquido a sólido. Cocinar muestra cómo la energía térmica cambia el estado de los ingredientes, afectando su textura y sabor.

Clima y el ciclo del agua

El ciclo del agua muestra muchos cambios de fase. La evaporación de océanos, ríos y lagos cambia el agua de líquido a gas, formando nubes (condensación). La lluvia implica pasar de gas a líquido. La nieve y el hielo representan estados sólidos formados por deposición o congelación.

Usos industriales

Las industrias también utilizan estos cambios de estado. Por ejemplo, la destilación se utiliza para purificar líquidos mediante la evaporación y condensación. La liofilización de alimentos implica sublimación para eliminar el agua, lo cual preserva mejor los alimentos.

Conclusión

Los cambios de estado son fundamentales y están a nuestro alrededor. Desde eventos diarios simples hasta procesos industriales complejos, comprender el movimiento y la interacción de las partículas en estos estados avanza nuestra comprensión del mundo físico. Ya sea la fusión del hielo en tu bebida o la mezcla de gases en la atmósfera, los cambios en la materia y las transformaciones de energía son constantes y esenciales para definir las propiedades de la materia.

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