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En muchos contextos, los términos «fases de la materia» y «estados de la materia» se utilizan de manera intercambiable como si fueran sinónimos. Lo mismo se puede decir con respecto a los cambios de fase y los cambios de estado. Sin embargo, existen diferencias sutiles que hacen que estos términos no sean exactamente iguales.
A continuación, exploraremos estas diferencias para aprender a distinguir claramente cuándo estamos hablando de fases y cuándo de estados de la materia.
¿Qué son los estados de la materia?
Los estados de la materia son las distintas formas como las partículas que la conforman se pueden agregar o unir entre sí. Por esta razón, también se les denomina estados de agregación de la materia. Estos estados se definen esencialmente en función de la movilidad que presentan sus partículas en la estructura de la sustancia.
En este sentido, una misma sustancia generalmente se puede encontrar los siguientes cuatro estados de la materia:
- Estado sólido: se caracteriza por estar formado por cuerpos con forma y volumen definidos. En el estado sólido todas las partículas se encuentran confinadas a una posición fija, con muy poca libertad de movimiento. Esto les conviere a los sólidos tanto un volumen definido como una forma definida.
- Estado Líquido: en los líquidos, las partículas que forma a una sustancia se encuentra muy cercanas unas de otras, pero su unión es lo suficientemente laxa como para permitir que las partículas fluyan y se deslicen de un lugar a otro con relativa libertad. Por esta razón, los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida, adquiriendo la forma del recipiente que los contiene.
- Estado gaseoso: en este estado las partículas están esencialmente separadas unas de otras, interactuando muy poco entre sí. Las sustancias en estado gaseoso se caracterizan por tener densidades muy bajas, y por no tener ni forma ni volumen definidos.
- Plasma: un plasma es una mezcla gaseosa de electrones libres e iones positivos (cationes) que se forman al calentar a los gases a muy altas temperaturas. Estas temperaturas son tan altas que, al chocar unos con otros, los átomos literalmente se arrancan los electrones entre sí. La materia de las estrellas está en estado de plasma, en la mayor parte de ellas.
Muchas sustancias pueden existir en cualquiera de estos estados, mientras que otras no. El agua es el ejemplo típico de una sustancia que podemos encontrar en estado sólido, líquido y gas, incluso todos al mismo tiempo en condiciones relativamente normales. Por otro lado, la sacarosa o azúcar común de mesa puede existir en estado sólido (como normalmente la encontramos), y también la podemos fundir, pasando así a estado líquido como cuando hacemos caramelo. Sin embargo, si seguimos calentando la sacarosa fundida, en lugar de pasar a estado gaseoso, generalmente se descompone o se carboniza antes de pasar al estado gaseoso.
Además de estos estados comunes, existen otros estados menos comunes que solo existen en condiciones muy extremas de temperatura y presión. Por ejemplo, existe el condensado de Bose-Einstein que solo se forma a temperaturas extremadamente bajas, muy cercanas al cero absoluto; el estado de materia degenerada que existe en condiciones de densidades extremadamente altas tales como en las estrellas de neutrones que se forman depués de que una estrella muere, y los plasmas de quarks y gluones, que se forma solo en condiciones de altísima energía.
Factores que afectan los estados de la materia
El que una sustancia determinada se encuentre en forma de un sólido, un líquido o un gas, depende de una competencia entre fuerzas que tratan de mantener a sus partículas unidas entre sí, y las fuerzas que tienden a separarlas. Las fuerzas de interacción que existen entre sus partículas o fuerzas cohesivas, tienden a unir a las partículas, mientras que las vibraciones térmicas tienden a separarlas. Por otro lado, la alta presión tiende a acercar a las partículas entre sí, facilitando la interacción entre partículas y tendiendo a condensarlas.
¿Qué son las fases de la materia?
El concepto de fase es distinto al de estado. En física y en química, una fase de la materia se refiere a una porción de materia o a una zona o región dentro de un sistema en la que las propiedades físicas y químicas son uniformes u homogéneas.
Esto podría parecer un concepto similar al de estado y es que hay casos en los que una sustancia en un estado físico también se encuentra en forma de una única fase. Esto sucede, por ejemplo, en el caso del agua. El agua en estado gaseoso, es decir, el vapor de agua, es al mismo tiempo una fase, ya que el vapor de agua es esencialmente homogéneo. Lo mismo podemos decir del agua líquida y del hielo. En estos casos, hablar de la fase gaseosa del agua es básicamente lo mismo que hablar de agua en estado gaseoso.
Sin embargo, existen otras sustancias que pueden existir en distintas formas a pesar de estar en el mismo estado. Un ejemplo es el óxido de silicio o sílice, el cual puede existir en distintas fases, todas ellas en el estado sólido. Dependiendo de las condiciones de temperatura y presión, el sílice puede existir como cuarzo-a, cuarzo-β, cristobalita, tridimita, coesita y más. Cada una de estas fases se encuentran todas en estado sólido y cada una de ellas posee una estructura y propiedades físico químicas particulares y distintas a las demás.
Fases en sistemas multicomponente
Las fases y los estados de la materia son fáciles de comprender en los casos de sustancias puras o sistemas formados por un solo componente. Sin embargo, cuando mezclamos varios componentes para formar sistemas binarios, ternarios y sistemas más complejos, pueden surgir comportamientos de la materia inesperados.
En estos casos, se pueden formar un gran número de fases diferentes dependiendo de la composición del sistema y de las proporciones en las que se encuentran los distintos componentes. Las aleaciones son ejemplos claros de estos sistemas complejos en los que podemos obtener propiedades radicalmente distintas al mezclar metales entre sí.
El concepto de fase también resulta muy útil para describir mezclas de líquidos inmiscibles tales como aceite y agua. A pesar de que, como un todo, el sistema está en estado líquido, es evidente que hay dos fases distintas, una formada por el aceite que flota encima de la fase acuosa. Nótese que, en este caso, no tiene sentido hablar de un «estado» aceitoso u orgánico y de un «estado» acuoso, pero sí tiene sentido hablar de una fase aceitosa o fase orgánica y una fase acuosa.
Resumen de las diferencias entre estado y fase de la materia
Los estados de la materia se definen en función de la movilidad de las partículas que la conforman. En cambio, las fases de la materia se definen en términos de las propiedades físicas y químicas de la materia, pudiendo encontrarse varias fases diferentes con la misma composición y en el mismo estado de agregación pero que, sin embargo, tienen propiedades distintas.
Por otro lado, los estados de la materia pueden ser sólido, líquido, gas y plasma, así como otros estados más exóticos que existen en condiciones extremas. En cambio, en un mismo sistema pueden coexistir varias fases líquidas y gaseosas y múltiples fases sólidas. Esto indica que el concepto de estado de la materia es un concepto más general o menos específico que el de fase de la materia.
Referencias
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