Por José Carlos Canalda (CSIC)*
Todos hemos estudiado en el colegio que los estados de la materia eran tres: sólido, líquido y gaseoso. También habremos leído que el cuarto estado de la materia era el plasma, en realidad un gas cargado eléctricamente. Pero aparte de estos cuatro, ¿puede considerarse que hay más estados de la materia? Pues por ejemplo, si tenemos en cuenta que en realidad el estado sólido no es tal, sino un conjunto de diferentes formas de ‘solidificarse’ la materia, sí.
Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)
Aunque sabemos identificar de forma intuitiva un sólido, basta con estudiar su estructura interna para encontrarnos con diferencias muy importantes según estén distribuidas las partículas que lo componen (átomos, moléculas o iones, según el caso). También es relevante la movilidad relativa de estas partículas entre sí, es decir, su capacidad de moverse unas con respecto a otras.
Para empezar, es necesario diferenciar entre los cristales y los vidrios, advirtiendo que para los químicos los términos ‘cristal’ y ‘vidrio’ no tienen nada que ver (es más, son opuestos) con el uso habitual que se hace de ellos. Lo que llamamos cristal, como por ejemplo el de una botella, es en realidad un vidrio desde el punto de vista químico.
Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin
La diferencia entre ambos tipos de sólidos estriba en la forma en la que están constituidos ‘por dentro’: en un cristal las partículas que lo componen están rígidamente ordenadas siguiendo unas pautas geométricas determinadas, mientras que en un vidrio éstas se distribuyen al azar sin ningún tipo de orden, por lo que también podemos hablar de materiales amorfos. Los cristales serían el equivalente a un desfile militar y los vidrios a una calle llena de peatones paseando despreocupadamente. Así pues, el concepto diferenciador entre ambos es el de orden-desorden. Por cierto, un cristal no tiene por qué ser transparente -el diamante lo es, pero la pirita no- y, asimismo, hay vidrios transparentes -el de las botellas- y vidrios opacos, como la obsidiana o el ópalo.
La cosa se complica todavía más si consideramos que entre los cristales (orden total en las tres dimensiones) y los vidrios (desorden total en las tres dimensiones) podemos encontrarnos con situaciones intermedias, tal como ocurre con los polímeros. Estos materiales, cuyos componentes más conocidos son los plásticos, están constituidos por unas moléculas de gran tamaño, o macromoléculas, formadas por el ensamblado de otras más pequeñas, de forma similar a los eslabones de una cadena. Debido a sus dimensiones, para estas moléculas es difícil cristalizar, es decir, colocarse de una manera ordenada, razón por la cual en muchos polímeros se alternan las regiones cristalinas con las regiones amorfas, siendo por lo tanto unos materiales semicristalinos… Aunque no todos, ya que también existen polímeros amorfos. Lo que nunca podremos encontrar será polímeros completamente cristalinos.
Las partículas que componen los cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia
Existen también unas estructuras intermedias denominadas mesofases, en las cuales nos encontramos con diferentes tipos de orden parcial; pero no como ocurría en los polímeros, en los que las regiones cristalinas al 100% alternaban con regiones amorfas también al 100%, sino de otra manera diferente, con orden total en una o dos de las tres dimensiones y desorden también total en las restantes. Éste es el caso de los cristales líquidos (móviles, pantallas táctiles, etc.), de los cuales existen dos grupos principales -aunque hay varios más- según sus átomos estén ordenados en una dirección, como ocurre con un manojo de espárragos, o en dos, tal y como sucede con un puñado de monedas desparramadas en una mesa. Sus nombres respectivos son nemáticos -del griego ‘nema’, ‘hilo’- y esmécticos.
Para terminar, nos encontramos con los cuasicristales, que poseen una estructura ordenada pero no periódica, es decir, que no se repite indefinidamente; y también con los cristales plásticos, en los cuales las moléculas que los conforman están distribuidas de una forma regular, pero gozan de cierta libertad de movimientos que les permite rotar parcialmente sobre su punto de equilibrio sin llegar a romper la estructura geométrica del cristal.
* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/
No se mucho de este asunto tan complicado pero conozco e cristal de cuarzo y algún otro con propiedades electricas que son empleados en electrónica.
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21 mayo 2014 | 12:08
Decir que un plasma es un gas cargado eléctricamente, más que una simplificación, es una burrada. Por lo demás, interesante e instructivo.
21 mayo 2014 | 13:26
Pues sea tan amable de desburrarme, señor Jabalín… a ser posible en pocas palabras, ya que dadas las limitaciones de espacio no me fue posible explicar de una forma más extensa la naturaleza física de los plasmas.
21 mayo 2014 | 14:38
-ESTADO SÓLIDO (CONOCIDO EN LA ANTIGÜEDAD)
-ESTADO LÍQUIDO (CONOCIDO EN LA ANTIGÜEDAD)
-ESTADO GASEOSO (CONOCIDO EN LA ANTIGÜEDAD)
-ESTADO PLASMÁTICO (DESCUBIERTO EN 1928)
-CONDENSADO DE EINSTEIN-BOSE (OBTENIDO EN LABORATORIO EN 1995)
-CONDENSADO DE FERMI (OBTENIDO EN LABORATORIO EN 1999)
-SUPERSÓLIDO (OBTENIDO EN LABORATORIO EN 2004)
-SUPERFLUIDO (HIPOTÉTICA)
-MATERIA DEGENERADA (HIPOTÉTICA)
-MATERIA FUERTEMENTE SIMÉTRICA (HIPOTÉTICA)
-MATERIA DÉBILMENTE SIMÉTRICA (HIPOTÉTICA)
-MATERIA EXTRAÑA O MATERIA DE QUARKS (HIPOTÉTICA)
-SUPERFLUIDO POLARITÓN (HIPOTÉTICA)
-MATERIA FOTÓNICA (HIPOTÉTICA)
21 mayo 2014 | 14:52
Tal como yo lo veo, José Carlos, toda la modelización teórica que se alcance en relación a las síntesis basadas en el estado de plasma (con la ayuda de campos etc) podría ser muy provechosa, una especie de «paso intermedio» para que, cuando llegue la lejana hora, en que se tenga una buena herramienta basada, por ejemplo en el efecto túnel, u otros efectos que permitan reconocer y seleccionar átomos… se disponga además de toda una provechosa teoría que impulse esta síntesis «física» y se obtengan materiales sólidos de alta tecnología, de propiedades realmente optimizadas….¿Cómo lo ves tu?.
21 mayo 2014 | 17:34
Bueno, Manuel, soy químico, no físico, así que hay un momento en el que la física teórica se me escapa. De todos modos, es evidente que por ahí, o por alguna vía parecida, es donde está el futuro de los nuevos materiales, en una «modelización» de sus estructuras moleculares, o cristalinas, diseñadas a medida. Algo de eso ya hay, y de hecho se está avanzando mucho en el campo de los nanocompuestos, pero evidentemente todavía queda mucho camino por recorrer.
En cuanto al plasma, sobre el que quizá debería hablar más extensamente en otro artículo, la posible aplicación que yo le veo es la de la energía de fusión; pero se lleva ya décadas intentando construir un reactor de fusión que resulte efectivo, es decir, que genere más energía de la que consume, y por la razón que sea -insisto en que no soy en experto en el tema- el dichoso reactor no acaba de arrancar. Lo que sí existe son motores iónicos, que utilizan plasma como medio de propulsión para algunas sondas espaciales.
Saludos.
21 mayo 2014 | 19:27
Muchas gracias, J.C. Sí, de hecho el plasma te permite ir añadiendo de forma muy controlada los iones sobre las superficies de los materiales….¡todo llegará!.
21 mayo 2014 | 20:00
gelatinoso, plastilinoso, etc
21 mayo 2014 | 21:28
Hola, solo una pregunta que me gustaría me contestase si es posible.
Habla de estados de la materia y los explica muy básicamente refiriéndose a cristales y similares y a polímeros y similares.
Mi pregunta es si tal y como conocemos que son los otros estados de la materia «normales» ésos otros estados que menciona ¿se comportan igual?, es decir ¿cambiando la temperatura (por ejemplo), dichos estados pasan de unos a otros o solo se destruye su estructura pasando a los estados «normales» de la materia? Dejándolo mas simple si cabe: por ejemplo, ¿Cambiando la temperatura un cristal pasa a ser otro tipo de estado de la materia?
Y tal vez esto ayude a entender mi pregunta: Si calentamos el agua (líquido) obtenemos vapor (gaseoso), no se consideran lo mismo, si aumentamos los iones de un gas obtenemos plasma, que no se consideran los mismo… ¿pasa igual con los polímeros o cristales?
22 mayo 2014 | 06:44
Respondo a HalMan. Todos los materiales tienen lo que se conoce como un diagrama de fase, donde se representa el comportamiento de cada material en función de la temperatura (http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase). En los más sencillos tan sólo aparecen los tres estados «clásicos», es decir, sólido, líquido y gaseoso, pero la cosa se puede complicar mucho dependiendo de los casos.
Así, por ejemplo, y refiriéndonos a algo tan sencillo como el agua, no tenemos una sola clase de hielo, sino varias… todas ellas sólidas y cristalinas, pero diferentes entre sí. Y por supuesto, en el caso de que existan mesofases también aparecen representadas en el diagrama, que puede llegar a ser muy complejo.
Los diagramas de fase nos permiten ver las posibles transformaciones de un material determinado variando la temperatura o la presión y, respondiendo a su pregunta, sí podremos pasar de una fase a otra, directamente o pasando por alguna otra fase intermedia. Eso dependerá del material (el diagrama de fase es como un «carnet de identidad» propio de cada uno de ellos) y del «camino» que recorramos, no tiene por qué ser lo mismo pongo por caso, subir primero la temperatura y luego la presión, que hacerlo al contrario; acabaremos llegando al mismo sitio, pero el proceso habrá sido diferente. Pero sí, en principio, al menos en teoría, podríamos obtener cualquier fase por transformación de otra, siempre y cuando siguiéramos el proceso adecuado para cada caso. En la práctica en ocasiones la cosa se complica (por ejemplo hay sustancias que se descomponen sin llegar a fundir), pero esto ya sería demasiado complicado de explicar.
De todos modos, tengo previsto escribir algún artículo más sobre este tema, porque la verdad es que da para mucho. Y si no le ha quedado claro, por favor dígamelo e intentaré explicárselo de una manera más sencilla.
22 mayo 2014 | 11:10
@HalMan (Con permiso de J.C): Los sistemas de plasma son gaseosos y con una gran concentración de electrones libres y dispersión de velocidades, tanto mayor cuanto mayor sea la potencia del generador de radiofrecuencia aplicada que genere la onda de superficie en el sistema, alcanzándose temperaturas de decenas de miles de grados Kelvin fácilmente, de «verdaderas temperaturas», las de Maxwell. A mayor dispersión, mayor temperatura…; y sí, lo normal es que «aumente la cantidad de iones al hacerlo la potencia del generador y con ello la temperatura», aunque la cosa no tiene por qué ser tan lineal en todo el intervalo de potencia disponible, ya que dependerá del potencial de ionización del gas «base» (Argón, por ejemplo), del del resto de los gases…y otros factores…
22 mayo 2014 | 14:02
Gracias por contestar, a los dos.
No obstante sigo teniendo una duda o tal vez inquietud.
¿Se puede considerar un cambio de fase la diferencia entre cristal y vidrio?
O ¿entre distintos tipos de polímeros?
Quiero decir que un cambio de fase pues si, lo entiendo, pero un cambio de estado físico creo yo que e algo distinto ¿me equivoco?. Es decir, según entiendo, un cambio de estado físico se refiere a un cambio en todas las propiedades físicas de un material, dependiendo de las fuerzas de unión de sus moléculas. Así pues, cuando las propiedades físicas cambian radicalmente se puede mencionar un cambio de estado físico.
Obviamente existen una infinidad de estados intermedios o cambios de fase pero ésto no es un cambio de estado físico. ¿esto es correcto?
Es decir, o pensamos en un relativismo puro y decimos que los cambios de estado físico no existen y en cambio si los cambios de fase o bien decimos que existe una diferencia clara entre un cambio de estado físico y un cambio de fase. No se si se me entiende.
Diferentes diagramas de equilibrio de estado de la materia no son cambios de estado físico como tal ¿o si?
Cambiando propiedades físicas del agua (mediante presión o temperatura) obtenemos una variabilidad muy grande de fases pero un cambio de estado físico solo se obtiene al sobrepasar su tolerancia física cambiando así de estado físico y radicalmente sus propiedades físicas. ¿Es correcto?
22 mayo 2014 | 15:17
HalMan, la verdad es que me haces adelantarme a mi próximo artículo :-). En realidad a un vidrio, o sólido amorfo, se le puede considerar más correctamente desde un punto de vista físico como un líquido subenfriado, es decir, un líquido cuya viscosidad es tan alta que en la práctica no fluye, o no lo hace aparentemente… aunque los vidrios de las vidrieras medievales, con varios siglos de existencia, acaban deformándose porque se «derriten» muy lentamente. Poco, pero se «derriten». Y sí, en determinadas condiciones (insisto en que depende del diagrama de fase de un material en particular) se puede dar el paso de cristal a vidrio, sería un cambio de fase, en concreto una «fusión» termodinámicamente hablando, aunque en la práctica sea una transición sólido-sólido… porque el material amorfo desde un punto de vista físico no deja de ser un «líquido».
Este fenómeno se da, por ejemplo, en los polímeros, pero permíteme si no te importa que aguarde a mi próximo artículo para no liarnos. También aprovecharé para explicar desde un punto de vista fisico los cambios de fase, aunque no sé si esto no será liar la cosa demasiado, ya que no todos son iguales desde un punto de vista termodinámico.
22 mayo 2014 | 16:42
Comparto considerar el PLASMA, no como el cuarto estado de la materia, sino como un gas peculiar en al que las partículas están ionizadas. A nadie se le ocurre considerar a los sólidos iónicos, sal común por ejemplo, el cuarto estado de la materia, al estar constituída, al igual que el plasma, por partículas con carga eléctrica.
22 mayo 2014 | 18:34
HalMan (con permiso de JC): aunque un vidrio se puede definir como un líquido muy viscoso (como indica acertadamente JC), también podría hacerse desde «el otro extremo», considerándolo un sólido cristalino pero de «pequeñísimos dominios coherentes a la difracción de rayos-X», algo inferiores a los 30 A, es decir, muy mal cristalizado, con muchos defectos reticulares tanto volumétricos, como superficiales, lineales o puntuales (aunque estos últimos son termodinamicamente estables a cualquier temperatura). Un tratamiento térmico adecuado puede eliminar todos los defectos reticulares del vidrio (excepto los puntuales, claro) y convertirlo en un sólido cristalino «bien cristalizado», de dominios coherentes a la difracción superiores a los 100 A, sobradamente suficientes para estudiar sin problemas al sólido por DRX.
También puede «amorfizarse» cualquier sólido cristalino perfecto, bien por tratamiento mecánico (molienda) o por reiterados «choques térmicos», como muy bien conoce JC, y seguro que os lo explicará de una forma sencilla para que pueda entenderlo todo el mundo…. Desde luego podemos referirnos a un sólido amorfizado como «fase amorfa», es decir, sí, «otra fase» (que normalmente no vemos con claridad por difracción; pero sí con microscopios de alta resolución).
22 mayo 2014 | 20:13
Estimado JC: Estoy repitiendo todo lo que dices, «con otras palabras» con la creencia de que ello facilitará «algo» la compresión de este tema algo complejo para los estudiantes de los primeros cursos… disculpa mis «intromisiones», y gracias por tu generosidad hacia mi humilde persona.
22 mayo 2014 | 20:18
Ramón (con permiso de JC), Sí, pero en los sólidos iónicos (aún en los casos más favorables, cuando se unen elementos muy electronegativos con elementos de baja electronegatividad) el % de enlace iónico apenas supera el 50%, siendo el resto del enlace «covalente», es decir aportando la covalencia casi el 50% restante de la fuerza de enlace. En el plasma, en cambio, se tienen iones «libres».
JC me va a matar…
Perdona JC…. (¡ha sido la última!, jurolo).
22 mayo 2014 | 20:26
Manuel, dos puntualizaciones:
– Dices que en el plasma se tienen iones libres. Correcto: el plasma es un gas iónico.
– Dices que en los sólidos iónicos, el % de carácter iónico apenas supera el 50%. De las diversas formas de calcularlo, el % de caracter iónico del NaCl ronda el 70 %. El del fluororo de cesio supera el 80%, que es ser bastante iónico.
Mi propuesta para los estados de agregación de la materia es:
SOLIDOS ( cristalinos amorfos, condensados de Bose-Einstein, …)
LÍQUIDOS ( … )
GASES ( atómicos, moleculares, plasmas, …)
22 mayo 2014 | 20:53
Estimado Ramón: Tienes razón en todo lo que dices, ¡joder, qué nivel!, (si tuviésemos dinero para investigar como queremos…imáginate…) y en algunos, realmente muy pocos casos, el % de iónico es sensiblemente mayor del 50%.
22 mayo 2014 | 21:13
Bueno, para empezar que quede claro que yo no tengo por qué dar permiso a nadie… y bienvenidas sean todas aquellas aportaciones que contribuyan a mejorar o ampliar mis explicaciones.
Así pues, gracias a todos vosotros.
23 mayo 2014 | 16:54