¿Por qué la materia existe en 3 estados (líquido, sólido, gaseoso)?

Question

¿Por qué la materia terrestre existe en tres estados? ¿Por qué no puede existir toda la materia en un solo estado (es decir, sólido/líquido/gas)?

Answer 1

La premisa es errónea. No todos los materiales existen exactamente en tres estados diferentes; éste es sólo el esquema más sencillo y es aplicable a algunas sustancias moleculares o iónicas simples.

Imaginemos lo que le ocurre a una sustancia si empezamos a baja temperatura y le añadimos cada vez más calor.

Sólido

A temperaturas muy bajas, prácticamente no hay movimiento térmico que impida que las moléculas se adhieran entre sí. Y se pegan debido a diversas fuerzas (la más sencilla: los iones de carga opuesta se atraen electrostáticamente). Si se imagina esto con algo parecido a montones de pequeños imanes, es bastante evidente que se obtiene una fase sólida, es decir, una estructura rígida en la que nada se mueve.

Aunque en realidad:

• El helio no se congela a ninguna temperatura: su estado básico en el límite de baja temperatura a presión atmosférica es un superfluido . La razón es que, microscópicamente, la materia no no se comportan como imanes discretos o algo así, pero según mecánica cuántica .
• Por lo general, no sólo hay un estado sólido. En la analogía del imán, se pueden construir estructuras completamente diferentes a partir de los mismos componentes. Del mismo modo, lo que llamamos "hielo" no es más que una posible estructura cristalina del agua sólida. Hielo I _h . Hay muchas otras fases sólidas.

Líquido

Ahora, si aumentas la temperatura, es como hacer vibrar a fondo tu escultura magnética. Como estos enlaces no son infinitamente fuertes, algunos de ellos se soltarán de vez en cuando, permitiendo que el conjunto se deforme sin llegar a deshacerse. Esto es algo así como un estado líquido.

Aunque en realidad:

• No todos los materiales tienen fase líquida (al menos no a todas las presiones). Por ejemplo, el CO ₂ (hielo seco) sublima a presión atmosférica si se aumenta la temperatura, es decir, pasa inmediatamente al estado gaseoso.
• Muchos materiales tienen moléculas enormes, es decir, el tamaño de la estructura química se aproxima al tamaño de la estructura física. Ahora bien, esa estructura química también puede desprenderse con el calor, pero esto no se llama fusión sino descomposición entonces. Por ejemplo, los plásticos se descomponen en algún punto entre 200°C y 350°C. Algunos se derriten antes es decir, tienen dos estados; algunos permanecen sólidos todo el tiempo básicamente sólo tienen un estado (sólido).
  Un material descompuesto no ha entrado en un nuevo estado de la materia, simplemente ha dejó de ser el material original .
  • Además, los materiales que no están compuestos exclusivamente por un tipo de molécula no suelen tener un punto de fusión fijo. Hay un cierto intervalo en el que pueden coexistir dos fases. (En términos más generales, puede haber todo tipo de emulsiones, dispersiones, geles, etc.).

Gaseoso

Sin embargo, a las moléculas pequeñas y robustas o a los átomos individuales no les molestan tanto las altas temperaturas. Tampoco tienen fuerzas tan fuertes entre moléculas. Por eso, si se agitan con suficiente fuerza, empiezan a chisporrotear de forma independiente. Eso es un gas.

Aunque en realidad:

• Incluso las moléculas más resistentes no sobrevivirán si se eleva la temperatura lo suficiente. Incluso los átomos individuales perderán en algún momento el control sobre los electrones. Esto da lugar a otra fase, una plasma .
• A una presión suficientemente alta, superior a punto crítico la fase gaseosa no se distinguirá realmente de la líquida: sólo se tiene un fluido supercrítico . (En mi opinión, esto podría seguir etiquetándose como gas, pero tiene algunas propiedades que se asemejan más a las de un líquido).

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Ahora bien, la pregunta de por qué un material concreto se encuentra en un estado determinado a una temperatura y presión dadas no es fácil de responder. Es necesario física estadística para predecir el comportamiento. Las magnitudes cruciales son la energía y entropía . Básicamente, el movimiento térmico aleatorio tiende a causar desorden (cuantificado por el aumento de la entropía). A una temperatura determinada, hay una cantidad de energía disponible para superar la fuerza de atracción y, dentro de ese presupuesto energético, el sistema se aproxima al estado con mayor entropía. Un sólido tiene poca entropía, pero si no hay mucha energía disponible es el único estado factible. Un líquido tiene mayor entropía pero requiere algo de energía para despegar temporalmente las moléculas. Un gas requiere suficiente energía para mantener las partículas separadas todo el tiempo, pero está completamente desordenado y, por tanto, tiene mucha entropía.

Pero la cantidad exacta de energía y entropía de un estado determinado varía mucho de un material a otro, por lo que no se puede decir simplemente sólido-líquido-gas.

Answer 2

La respuesta definitiva a una pregunta de física sobre el "por qué" es "porque".

La física consiste en observar y medir la naturaleza y luego encontrar modelos matemáticos que se ajusten a las mediciones y predigan nuevos comportamientos en condiciones diferentes.

Porque hemos observado estos cuatro estados de la materia. hemos formulado teorías matemáticas llamadas termodinámica y mecánica cuántica que pueden describir el comportamiento de la materia y predecir su comportamiento futuro además de describir una plétora de otros comportamientos ( como la forma en que podemos comunicarnos en este foro).

Los modelos matemáticos explican cómo sucede esto.

1. los átomos y las moléculas son estados neutros ligados de cargas y matemáticamente hay fuerzas de desbordamiento que crean atracciones y repulsiones.

2. los estados son cuantificado es decir, los enlaces no son arbitrarios y continuos, sino que determinados estados energéticos son estables y otros no lo son

3. sólidos son cuando los estados energéticos se asientan en configuraciones reticulares y se encuentran en el estado energético más bajo.

4. líquidos se producen cuando las condiciones termodinámicas, temperatura y presión, son tales que algunos de los enlaces de las redes se aflojan y aparecen grados de libertad adicionales.

5. gases aparecen cuando las combinaciones de temperatura y presión aflojan todas las uniones de niveles de energía intramoleculares y se comporta como un gas ideal.

6. plasma ocurre cuando las temperaturas y presiones son tales que los electrones son expulsados de sus orbitales y el gas se convierte en iones y electrones.

Todos estos procesos se describen perfectamente utilizando electrodinámica cuántica y termodinámica como también se describe en las otras respuestas.

Ese es el mapa matemático de la naturaleza en la que nos encontramos. (That's the way the cookie crumbles, That's the way the ball rolls, etc ) Si sólo hubiera una fase, otro conjunto de teorías las describirían, no las que describen con éxito nuestro mundo actual.

Answer 3

Básicamente, la existencia de diferentes estados de la materia tiene que ver con Fuerzas intermoleculares , Temperatura de su entorno y de sí mismo y de la Densidad de la sustancia.

Esta imagen de abajo muestra cómo se produce la transición entre cada uno de los estados (llamados transiciones de fase).

Estas transiciones se producen en función del cambio de temperatura de la sustancia

Ahora bien, si comprimes (aumentas la presión) y reduces la temperatura de gases como $CO_2$ entonces puede existir en estado sólido, lo que generalmente se denomina Hielo seco (5,18 bar, - 56,6°C)

Pero hay otros estados exóticos de la materia por ahí, como Plasma y Condensado de Bose-Einstein

Answer 4

Esta es una de esas preguntas divertidas en las que se pone el carro delante de los bueyes. La materia no "existe" en ningún estado. Simplemente hace lo que hace, de la forma en que lo hace. Los humanos, deseando entender cómo se comportan los diferentes tipos de materia eligió para crear un sistema de tres estados.

Esta elección es la clave: la razón por la que "la materia existe en 3 estados" es porque elegimos modelarla así. Sería trivial declarar "la materia existe en 5 estados" o "la materia existe en 2 estados". En general, hemos elegido tratar 3 estados, sólido líquido y gas (más plasma), como "fundamentales" no porque sean realmente fundamentales para la física, sino porque nuestra elección de esas divisiones nos ayuda a predecir cómo se comportarán los materiales cuando se interactúe con ellos. Por ejemplo, consideramos que el comportamiento de un objeto sólido, como una roca, es fundamentalmente diferente del de un líquido, como un chorro de agua, porque para el tipo de cosas que nos preocupan, es una distinción útil. Recibir un golpe en la cara con una roca es algo muy distinto a recibir un chorro de agua.

Tenemos razones para explicar por qué se producen estos estados, basadas en el concepto de fuerzas intermoleculares. En un sólido, las moléculas tienen muy poca libertad de movimiento porque las fuerzas intermoleculares las atrapan. Los sólidos tienen comportamientos rígidos. En un líquido, las moléculas tienen suficiente libertad de movimiento para ir a cualquier parte de un volumen, pero las fuerzas intermoleculares siguen teniendo un gran efecto sobre su comportamiento. Esta movilidad da lugar a rasgos que consideramos lo bastante importantes como para categorizarlos, como la fluidez. En los gases, las moléculas tienen tanta libertad de movimiento que las fuerzas intermoleculares pasan a un segundo plano a la hora de predecir su comportamiento.

Lo que hemos descubierto es que, en muchos casos, las líneas que separan estos comportamientos son bastante nítidas. La transición de sólido a líquido o de líquido a gas tiende a producirse muy cerca de una temperatura determinada. Y digo muy cerca: el proceso de ebullición o congelación es estadístico, no exacto.

Para la mayor parte de lo que hacemos, estas dos divisiones, entre sólido y líquido y entre líquido y gas, son lo bastante eficaces para ayudarnos a comprender el universo como para considerarlas "fundamentales". Sin embargo, no todo el mundo está de acuerdo. Los físicos de altas energías consideran el caso en el que la energía térmica de un gas llega a ser tan alta que empieza a despojarse de sus propios electrones, convirtiéndose en nada más que un montón de iones. Este material se comporta de forma tan diferente al gas que lo declaran un nuevo tipo "fundamental" (para empezar, ¡le afectan los campos magnéticos!).

Se ha comprobado que, para muchos materiales, sus propiedades están bien descritas por estas categorías, por lo que las mantenemos.

En el otro extremo, hay muchos casos en los que "sólido" no basta para captar los comportamientos que nos interesan. En estos casos, nos adaptamos. Mi ejemplo favorito es el chocolate, porque el chocolate es un extraño bestia de material. Se puede fundir (de sólido a líquido), y los cristales de grasa de chocolate desaparecen como era de esperar. Sin embargo, algunas estructuras cristalinas son más robustas que otras y requieren temperaturas más altas. Del mismo modo, los cristales se forman a distintas temperaturas a medida que se enfría. Esto da lugar a una química extraordinaria. Resulta que hay 6 "polimorfos" del cristal de grasa de chocolate, cada uno con sus propias propiedades. De ellos, sólo la forma V es buena para la chocolatería. Es el cristal que tiene la característica sensación crujiente que queremos del chocolate.

Así, cuando se atempera el chocolate, primero se eleva la temperatura para fundir todos los cristales. A continuación, se reduce la temperatura para enfriarlo y formar cristales (cuantos más, mejor). Se forman todo tipo de cristales a medida que las grasas se solidifican, de la Forma I a la Forma V (la Forma VI es diferente y se asocia a la floración). Después de esto, se eleva la temperatura a entre 81.1F y 92.8F, que es el punto de fusión de la Forma IV y el punto de fusión de la Forma V respectivamente. Esto permite que se fundan todos los cristales de la Forma I a la Forma IV, pero mantiene los de la Forma V. A continuación, se vierte el chocolate y se deja enfriar, dejando sólo las estructuras crsitales de la Forma V.

Ten en cuenta que todo lo que he dicho se refería a los sólidos, al crecimiento de los cristales. Durante todo el proceso, el lego medio llamaría "líquido" a ese material, pero yo estoy constantemente congelando y fundiendo cosas dentro de ese estado líquido. El simple concepto de "líquido" no es suficiente.

Answer 5

No estoy muy seguro de lo que me pregunta, pero puedo explicarle la diferencia entre los tres estados comunes de la materia en una escala cualitativa:

Sólido: las moléculas forman enlaces con las moléculas vecinas, muy pocos de estos enlaces se rompen en un momento dado.

Líquido: las moléculas forman enlaces con las moléculas vecinas durante la mayor parte del tiempo, pero hay energía suficiente para que los enlaces se rompan momentáneamente y se formen de nuevo con otra molécula.

Gas: las moléculas casi nunca se acercan lo suficiente como para interactuar.

Para formar un enlace, se libera energía, para romper un enlace, se consume energía, por lo tanto, cuando la energía (representada por la temperatura) de alguna materia (como el agua) es alta, el estado tiende al líquido y al gas, y si se da suficiente energía en forma de calor, todos los enlaces de las moléculas individuales se romperán y liberarán esa molécula del líquido o sólido al gas.

La razón por la que existen múltiples estados de la materia en la Tierra es porque ésta contiene materias que se funden/vaporizan a diferentes temperaturas y la Tierra tiene diferentes temperaturas en diferentes lugares.