En nuestra vida diaria, la materia se presenta en distintas formas o estados; estos son los que conocemos como estados de la materia. Cada estado está caracterizado por un ordenamiento especial de las partículas que lo componen.
Así, en la naturaleza, la materia se encuentra en uno de estos tres estados: sólido, líquido y gaseoso.
A partir de las características macroscópicas de cada estado de la materia, ¿podríamos inferir sus características microscópicas? Por lo general, frente a preguntas de este tipo los científicos tienden a construir modelos, y a partir de ellos intentan explicar la realidad.
Un modelo es una idealización o aproximación a lo que realmente sucede; es un conjunto de supuestos lo más simple posible, que estén de acuerdo con lo que observamos en el objeto sometido a estudio.
Los gases
Para entender el ordenamiento de las partículas en cada estado de la materia, procederemos a construir un modelo. Supondremos que las partículas en un material se comportan como niños jugando durante el recreo en su colegio.
Imaginemos que estamos en el patio y que podemos observar el juego de nuestros compañeros en cada lugar de este. Ahora, veamos si este modelo responde a las propiedades que observamos en los estado de la materia.
Supongamos que un grupo de nuestros compañeros se encuentra jugando al “pillarse”. ¿Cuál es el comportamiento de este grupo de niños? Lo que observamos es que cada niño corre azarosamente por el patio; es más, rara vez se tocan. Si pusiéramos a los niños en una habitación, veríamos que estos tienden a correr por todo el espacio disponible, razón por la cual la forma del grupo está definida tan solo por las paredes del lugar que los contiene (la habitación). Si los devolvemos al espacio abierto, constataríamos que la forma del grupo cambia constantemente, producto del deambular errático de cada uno de los niños. En efecto, son estas las características que observamos en un gas.
Si observas cuando alguien fuma, verás que el humo no adopta una forma particular. Sin embargo, si pides que echen el humo dentro de una botella, este ocupará todo el volumen disponible en el recipiente. En un gas, las interacciones entre partículas son muy limitadas, y en algunos casos estas se pueden considerar como cuerpos libres; es decir, sin ser sometidas a ningún tipo de interacción.
Los líquidos
Supongamos ahora que tomamos al grupo de niños y los hacemos jugar a la ronda. ¿Qué observamos? Cuando los niños juegan a la ronda sus movimientos individuales ya no son tan erráticos, pues las interacciones entre niños vecinos son más fuertes (de hecho, están tomados de la mano). Sin embargo, no se encuentran del todo ligados unos a otros, pues si existe un obstáculo la ronda se deforma de acuerdo con la forma de este.
Ahora, si ponemos al grupo en una habitación, observaremos que no tiende a utilizar todo el espacio disponible; es decir, la ronda tiene un “volumen” definido, aun cuando su forma está determinada por el recipiente que la contiene: si la habitación es cuadrada, la forma será circular, mientras que si la habitación es rectangular, la forma será más bien ovalada.
De acuerdo con esto, podemos decir que la ronda de niños posee un comportamiento parecido al de los líquidos, pues un líquido posee un volumen definido, pero no así una forma definida. Esto se debe a que en el líquido, al igual que en la ronda, las interacciones entre partículas cobran importancia, pero no son lo suficientemente fuertes como para mantener al conglomerado completamente unido. Las interacciones se dan a primeros vecinos, lo que significa que existen interacciones mayoritariamente entre una partícula y sus vecinas más cercanas, pero no así con todo el resto de las partículas. En el modelo de la ronda, cada niño interactúa con su vecino tomándole la mano, mas no le toma la mano al que sigue a su vecino.
Si el líquido se encuentra en un recipiente, supongamos un vaso de vidrio, entonces las interacciones a los primeros vecinos se dan a lo largo de todo el líquido; sin embargo, en la frontera líquido-pared del vaso ocurre algo un tanto distinto, pues las últimas partículas deben interactuar con sus partículas vecinas y con la pared del vaso, generando así una interacción conocida como tensión superficial. Cuando el material en la frontera es un gas, las partículas del líquido no alcanzan a interactuar con este y solo interactúan entre sí. Es por esto que las gotas de agua adquieren su forma característica en los bordes de un recipiente o en la superficie de una mesa. Si el material en la frontera forma parte de un recipiente, las partículas del líquido interactúan con este y tienden a adherírsele. Es por esto que los líquidos suben por las paredes de un capilar o tubo muy delgado, o bien, tienen la forma curvada típica que se presenta en los bordes de un vaso. También este mismo efecto es el responsable de que algunos insectos livianos puedan pararse sobre el agua sin hundirse. En este caso, la tensión superficial hace las veces de cama elástica y sostiene el peso del insecto.
Los sólidos
¿Qué sucede si ahora los niños se aprietan y comienzan a jugar abrazados? Dada esta situación (que el grupo se encuentra apretado), las interacciones entre los niños son mucho más fuertes. El grupo ya no se deforma frente a un obstáculo y ocupa un espacio definido. Este es el caso de los sólidos, los cuales se caracterizan porque las interacciones entre partículas son tan fuertes que prácticamente la distancia entre ellas se mantiene constante. Esto trae como consecuencia que los sólidos conservan su volumen y forma.
En este tipo de materiales, las partículas interactúan y se ordenan esencialmente de dos formas:
– Cuando el material tiene una estructura ordenada y periódica, es decir, cuando cada partícula se encuentra en un lugar específico y la misma estructura se repite a lo largo de todo el material, hablamos de un sólido cristalino. Este es el caso de la sal de mesa común (cuya nomenclatura química es NaCl, cloruro de sodio), en la cual las partículas de cloro y sodio se encuentran alternadas a lo largo de las esquinas de las caras de un cubo.
– Si, por el contrario, el ordenamiento es azaroso y desordenado, hablamos de un sólido amorfo. Tal es el caso del vidrio.
