Estados de la materia, disoluciones y materiales

Una misma sustancia puede parecer varias. El agua sólida conserva forma, el agua líquida fluye y el vapor se expande hasta ocupar el recipiente. No ha cambiado el tipo de molécula en un cambio de fase ordinario; ha cambiado la relación entre movimiento térmico e interacciones entre partículas. La química de los estados de la materia consiste en explicar cómo una estructura microscópica produce propiedades macroscópicas.

Este capítulo no intenta enumerar todos los materiales posibles. Organiza una pregunta más útil: cuando observamos dureza, viscosidad, volatilidad, densidad, solubilidad o conductividad, ¿qué parte de la explicación pertenece a las partículas, qué parte a las condiciones y qué parte al modelo usado para describir la muestra?

27.1. Sustancias, mezclas y fases#

Una sustancia pura tiene composición definida en la escala química pertinente. Puede ser un elemento o un compuesto. Una mezcla contiene más de una sustancia y su composición puede variar. El aire seco, por ejemplo, es una mezcla de gases; el agua pura es una sustancia compuesta; una aleación puede ser una mezcla sólida con estructura controlada.

Una fase es una región material con propiedades uniformes a la escala observada y separada de otras regiones por una frontera. Un vaso con agua líquida y hielo contiene la misma sustancia en dos fases. Aceite y agua forman dos fases líquidas si no se mezclan de manera apreciable. Una disolución acuosa homogénea de sal tiene una fase líquida, aunque contenga varias especies químicas.

La distinción entre sustancia y fase evita un error frecuente: «líquido» no significa «sustancia». Líquido es un estado físico bajo ciertas condiciones; sustancia es identidad química. El oxígeno puede ser gas, líquido o sólido según temperatura y presión. El hierro puede ser sólido o líquido; sus fases sólidas pueden tener estructuras cristalinas distintas. El estado físico no agota la descripción.

27.2. Temperatura, presión y movimiento molecular#

La temperatura mide una propiedad térmica relacionada con la distribución de energía microscópica. En un gas ideal simple, la temperatura se conecta directamente con la energía cinética media de traslación de las moléculas. En líquidos y sólidos la relación es más compleja, porque también intervienen vibraciones, rotaciones e interacciones. Aun así, aumentar la temperatura suele aumentar el movimiento molecular y facilita que las partículas exploren configuraciones nuevas.

La presión mide fuerza por unidad de área. En un gas, surge de choques de partículas contra superficies; en líquidos y sólidos se transmite mediante interacciones entre partículas. Cambiar la presión puede estabilizar fases más densas o modificar puntos de ebullición. El agua hierve cuando su presión de vapor iguala la presión externa; por eso el punto de ebullición no es una propiedad absoluta sin condiciones.

La combinación de temperatura y presión define regiones de estabilidad. Un diagrama de fases resume qué fase es estable en cada combinación. Las líneas entre regiones indican condiciones de equilibrio entre fases. El punto triple marca una condición en la que tres fases pueden coexistir en equilibrio; el punto crítico marca el final de la frontera líquido-gas, más allá de la cual no hay separación clara entre líquido y gas.

No todos los diagramas de fases se parecen. El agua tiene una frontera sólido-líquido con pendiente inusual: al aumentar la presión cerca del punto de fusión, el hielo ordinario puede fundir más fácilmente porque el líquido es más denso que el sólido. En muchas sustancias ocurre lo contrario. Esta excepción importa porque muestra que los estados no obedecen a una intuición universal; dependen de estructura e interacción.

27.3. Sólidos: orden, desorden y resistencia#

Un sólido conserva forma porque sus partículas ocupan posiciones relativamente fijas o se encuentran en una red que resiste deformaciones. En un sólido cristalino, existe orden de largo alcance: el patrón se repite en el espacio. En un sólido amorfo, como muchos vidrios, no hay el mismo orden periódico extendido, aunque sí puede haber orden local.

La dureza, fragilidad, elasticidad y punto de fusión dependen del tipo de unión y de la estructura. Un sólido iónico puede tener alto punto de fusión y fracturarse al desplazar planos de iones. Un sólido molecular puede fundir a temperaturas más bajas si entre moléculas actúan interacciones débiles. Una red covalente, como el diamante, puede ser extremadamente dura porque muchos enlaces fuertes conectan una estructura tridimensional. Un metal puede deformarse sin fracturarse de inmediato por la naturaleza deslocalizada del enlace metálico y por defectos de la red.

Los defectos no son meros fallos. Vacantes, dislocaciones, impurezas y bordes de grano controlan propiedades reales. Un cristal ideal infinito es un modelo; un material usado en una herramienta, un edificio o un circuito tiene historia de enfriamiento, presión, tratamiento térmico y contaminación. Por eso el paso de química a materiales exige medir tanto composición como microestructura.

27.4. Líquidos: cohesión sin forma fija#

Un líquido conserva volumen aproximado pero adopta la forma del recipiente. Sus partículas están próximas, como en un sólido, pero pueden reorganizarse con mayor facilidad. La fluidez depende de la intensidad y duración de las interacciones entre partículas, del tamaño molecular y de la temperatura.

La viscosidad mide la resistencia al flujo. Líquidos con moléculas grandes, formas que se enredan o redes extensas de interacciones suelen fluir más lentamente. La tensión superficial aparece porque las moléculas de la superficie tienen un entorno distinto de las del interior: experimentan una atracción neta hacia la masa líquida. El resultado es una superficie que se comporta como si resistiera aumentar su área.

La volatilidad expresa la facilidad con que partículas pasan a fase gas. Un líquido muy volátil tiene moléculas que escapan con relativa facilidad a una temperatura dada. Eso no significa que las moléculas «quieran» escapar; significa que una fracción de la distribución de energías supera las interacciones que retienen a las moléculas en el líquido. A mayor temperatura, suele aumentar esa fracción.

27.5. Gases: expansión, mezcla y modelo ideal#

Un gas se expande hasta ocupar el volumen disponible porque sus partículas están separadas, se mueven rápidamente y las interacciones atractivas suelen ser pequeñas comparadas con su energía cinética bajo condiciones moderadas. El modelo de gas ideal resume esta situación con una relación simple:

donde $P$ es presión, $V$ volumen, $n$ cantidad de sustancia en moles, $R$ la constante de los gases y $T$ temperatura absoluta. La ecuación no dice que todos los gases reales sean ideales. Expresa un límite útil cuando las partículas ocupan volumen despreciable frente al recipiente y las interacciones intermoleculares no dominan.

Los gases reales se apartan del modelo ideal a alta presión y baja temperatura, cuando el volumen propio de las partículas y las atracciones importan más. Cerca de la condensación, hablar de partículas puntuales sin interacción deja de funcionar. La virtud del modelo ideal no es su exactitud universal, sino su capacidad para revelar relaciones: a temperatura y cantidad constantes, aumentar presión reduce volumen; a presión constante, aumentar temperatura aumenta volumen.

27.6. Disoluciones y propiedades emergentes#

Una disolución es una mezcla homogénea en la que un soluto se dispersa en un solvente a escala molecular o iónica. La sal en agua, el azúcar en agua y el dióxido de carbono en una bebida son casos distintos porque las especies, interacciones y equilibrios son distintos. Disolver no siempre implica formar iones; un compuesto molecular puede dispersarse como moléculas neutras.

La solubilidad depende de un balance. Para disolver un soluto hay que separar partículas del soluto, abrir espacio o reorganizar el solvente y formar nuevas interacciones soluto-solvente. También cambia el número de configuraciones accesibles, es decir, el componente entrópico. Por eso una sustancia puede disolverse mucho en un solvente y casi nada en otro.

Algunas propiedades de disoluciones dependen principalmente del número de partículas disueltas, no de su identidad química detallada. Se llaman propiedades coligativas. El descenso del punto de congelación y la elevación del punto de ebullición son ejemplos introductorios. Sin embargo, la palabra «número» exige cautela: un electrolito que se disocia en iones produce más partículas efectivas que una molécula que permanece intacta, y las interacciones reales pueden desviar el comportamiento ideal.

La conductividad de una disolución revela si hay portadores de carga móviles. Una disolución de cloruro de sodio conduce porque contiene iones hidratados. Una disolución de azúcar en agua puede no conducir apreciablemente porque las moléculas permanecen neutras. La observación macroscópica se conecta con el modelo particulado.

27.7. Propiedad intensiva, extensiva y condición de medición#

Una propiedad extensiva depende de la cantidad de materia: masa, volumen total, energía interna total. Una propiedad intensiva no depende directamente del tamaño de la muestra: temperatura, densidad, punto de fusión de una sustancia pura bajo presión especificada. Esta distinción permite comparar muestras sin confundir cantidad con naturaleza.

La densidad relaciona masa y volumen:

donde $\rho$ es densidad, $m$ masa y $V$ volumen. La fórmula es simple, pero su uso requiere condiciones. La densidad de un gas depende fuertemente de temperatura y presión; la de un líquido también cambia, aunque menos; la de un sólido puede variar con estructura, porosidad e impurezas.

Las propiedades no flotan fuera del método. Medir punto de fusión exige una muestra, una presión, una tasa de calentamiento y un criterio de observación. Medir pH, conductividad o viscosidad exige calibración y temperatura. Una tabla de propiedades es útil sólo si conserva unidades y condiciones. El NIST Chemistry WebBook reúne datos físicos y químicos para especies concretas, con referencias y condiciones cuando están disponibles. (NIST Chemistry WebBook)

El capítulo siguiente convertirá esta mirada cualitativa en contabilidad cuantitativa. Para calcular cuánta sustancia reacciona, qué concentración tiene una disolución o cuántas partículas participan, se necesita el mol.

Preguntas de transferencia#

Hervir no siempre a 100 °C#

Ejemplo construido. Una persona afirma que el agua «hierve a 100 °C» sin añadir condiciones. ¿Qué falta?

Conducir como sólido y como líquido#

Ejemplo construido. Un sólido iónico no conduce electricidad, pero fundido sí. ¿Qué propiedad microscópica cambió?

Disolver azúcar y sal#

Ejemplo construido. Azúcar y sal se disuelven en agua, pero una disolución conduce mucho más que la otra. ¿Qué se infiere?

Densidad y cantidad#

Ejemplo construido. Dos muestras del mismo líquido puro tienen volúmenes distintos. Una tiene el doble de masa y el doble de volumen. ¿Cuál propiedad se conserva si están a la misma temperatura y presión?

Fuentes y lecturas del capítulo#

NIST. Chemistry WebBook. Base de datos para propiedades de sustancias y especies químicas, útil para discutir condiciones de medición. (NIST Chemistry WebBook)

BIPM. The International System of Units, SI Brochure. Referencia para unidades físicas usadas en propiedades químicas y termodinámicas. (SI Brochure)

OpenStax. Chemistry 2e. Desarrollo introductorio de gases, líquidos, sólidos, fuerzas intermoleculares y disoluciones. (OpenStax Chemistry 2e)

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, Gold Book. Terminología de fase, sustancia, solución, actividad y propiedades fisicoquímicas. (Gold Book)

NIST. SI Units. Guía institucional para escritura y uso de unidades del Sistema Internacional. (NIST SI Units)

Bibliografía de la parte IV · Bibliografía general

Última revisión editorial

28 de septiembre de 2026

Cierre de contenidos

28 de septiembre de 2026