¿Cómo es que el metal no se considera un estado de la materia?

Question

Sé que en química los metales son una clase de elementos en la tabla periódica, pero en física el metal es más como un estado de la materia. Todos los elementos que se llaman metales en la tabla periódica son metales en condiciones normales.

Además de los 4 estados clásicos de la materia, Wikipedia lista muchos más, no solo estados extremos, como el plasma de quark-gluon, BEC, superfluidos, super sólidos, sino también cristales líquidos, estados que simplemente tienen diferentes propiedades magnéticas e incluso el vidrio se considera un estado único. El metal no está en la lista, ni se incluye como un estado de la materia en cualquier otra literatura que haya logrado encontrar.

La razón por la que estoy confundido acerca de esto es porque los elementos que no son metálicos en realidad tienen estados metálicos a altas presiones, incluyendo hidrógeno, helio, oxígeno, carbono, otros no metales más pesados. Incluso el agua, un compuesto, tiene un estado metálico a 4000K, 100GPa. Los metales también tienen alotropos no metálicos.

Además, la diferencia principal entre un metal y un no metal es análoga a la diferencia entre un gas y un plasma, que son diferentes estados de la materia.

Un estado de la materia fue descubierto no hace mucho llamado Metal de Jahn-Teller. Si esto se clasifica como un estado de la materia, ¿cómo es que el metal no puede ser clasificado como uno también?

Answer 1

El problema es simplemente que hay dos significados diferentes de "estado de la materia": el significado común y el significado utilizado por los físicos.

El significado común es que un estado de la materia es sólido, líquido o gas. Por alguna razón, ahora también se incluye a menudo el plasma. Las definiciones dadas generalmente implican rigidez y si la sustancia llena su contenedor.

El significado de estado de la materia para un físico es más como cualquier sustancia con un conjunto dado de propiedades*, y por lo tanto tiene muchas más posibilidades. Por ejemplo, ciertos sólidos pueden cambiar entre ser magnéticos y no magnéticos a una temperatura crítica, llamada la temperatura de Curie. Aunque ambos son sólidos, todavía se consideran diferentes estados de la materia en el sentido de un físico. Además, en algunos casos, la transición de líquido a gas es realmente una transición suave sin ninguna transición brusca, y en este caso los dos realmente no se consideran fases separadas en el sentido de un físico. Entonces las definiciones son realmente bastante diferentes, uno no es solo una generalización del otro. Desafortunadamente, las descripciones populares casi siempre confunden los dos, especialmente en una lista como la lista de fases de Wikipedia.

Entonces, ¿es un metal una fase de la materia? En el sentido común, no lo es: las fases posibles son sólido, líquido y gas, y los metales pueden ser sólidos o líquidos. Sin embargo, en el sentido de un físico, los metales son de hecho una fase, o dependiendo del sistema puede haber múltiples fases metálicas. El estudio de las transiciones metal-insulador de varios tipos es un enfoque importante de la física de la materia condensada. La característica definitoria de un metal ha variado algo con el tiempo y dependiendo del contexto, pero a menudo es (1) una disminución de la resistividad eléctrica con la disminución de la temperatura, (2) funciones de onda de electrones individuales extendidas (en oposición a localizadas) o (3) un espectro de energía sin brechas (en oposición a gapless).

* la definición formal generalmente implica algún parámetro que existe solo dentro de una de las fases, llamado "parámetro de orden"

Answer 2

Realmente todo depende de cómo se define un estado de la materia, y no hay una definición clara en absoluto. Por ejemplo, si buscas en Wikipedia encontrarás esta "definición"

En física, un estado de la materia es una de las formas distintas en las que puede existir la materia.

lo cual brinda casi ninguna información (¿qué exactamente se entiendo por "forma" aquí, y cómo las distinguimos?).

Sin embargo (como también se menciona en el artículo de Wikipedia), hay otra manera más precisa de definir un estado de la materia, la cual es la que personalmente prefiero.

De hecho, mientras definir un estado de la materia puede ser complicado, definir una transición de fase es relativamente más sencillo, ya que las transiciones de fase se caracterizan por comportamientos particulares bien definidos (divergencias, discontinuidades, comportamientos de ley de potencia con exponentes críticos específicos críticos...) de ciertas cantidades termodinámicas (1). Con esta definición, podemos decir que algún material pasó de un estado de la materia a otro cuando experimentó una transición de fase.

Si adoptamos esta definición, entonces en algunos casos podemos considerar el "estado metálico" como un estado de la materia. Un trabajo reciente (2) ha señalado, por ejemplo, que la transición de aislante a metal en el hidrógeno tiene las características de una transición de fase de primer orden.

Por lo tanto, realmente parece que en algunos casos podríamos considerar un metal como un estado de la materia distinto.

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(1) Estoy incluyendo tanto las transiciones de fase de primer orden como de segundo orden en esta definición genérica.

(2) Evidence of a first-order phase transition to metallic hydrogen, Mohamed Zaghoo, Ashkan Salamat, e Isaac F. Silvera Phys. Rev. B 93, 155128 (2016).

Answer 3

Mi idea es que los estados de la materia se caracterizan por el comportamiento de los átomos u otros constituyentes básicos de una sustancia. En contraste, si la sustancia es metálica (o aislante, o semiconductora, o superconductora) es una propiedad electrónica, que clasifica el comportamiento de los electrones. Naturalmente, las propiedades electrónicas dependen en gran medida de la configuración y el comportamiento de los átomos. Por eso, por ejemplo, algunos alotropos del carbono son metálicos (nanotubos metálicos), mientras que otros son aislantes (diamante) y aún otros son semiconductores de banda prohibida cero (varios grosores de grafeno). Sus átomos están dispuestos de diferentes maneras (¡y existen en diferentes números de dimensiones espaciales: 1, 2, 3!), lo que conduce a diferentes propiedades electrónicas. Pero todos son sólidos porque sus átomos permanecen fijos en su lugar como lo hacen en los sólidos.

Si observas tu lista de diferentes estados de la materia, solo los estados magnéticos pueden considerarse una descripción de las propiedades electrónicas de una sustancia en lugar de los átomos, ¡la excepción que confirma la regla! Después de todo, los electrones mismos pueden ser modelados como existiendo como uno de los estados de la materia (¿alguna vez has oído hablar de la teoría del líquido de Fermi o de las teorías hidrodinámicas de la conducción?). ¡Los metales no son otra forma de materia, los electrones en ellos son simplemente líquidos curiosos!

De todos modos, no te enredes demasiado en este tipo de clasificaciones. No hay un organismo rector que clasifique los estados de la materia. ¡El pequeño secreto sucio de este tipo de cosas es que todos simplemente lo inventamos mientras avanzamos!