Estados de la materia

Todo es cuestión de movimiento

Un cubito de hielo, un vaso de agua y el vapor de una pava son exactamente la misma sustancia: moléculas de H₂O. Lo que cambia es cuánto se mueven y qué tan unidas están. La teoría cinética, desarrollada en el siglo XIX por Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann, explica que la temperatura no es más que una medida de la agitación de las partículas.

• Sólido: las partículas vibran en posiciones fijas, a menudo en una red ordenada llamada cristal. Tiene forma y volumen propios.
• Líquido: las partículas siguen juntas pero se deslizan unas sobre otras. Tiene volumen fijo y adopta la forma del recipiente.
• Gas: las partículas vuelan libres y chocan entre sí y contra las paredes. Ocupa todo el espacio disponible. En el aire, a nivel del mar, cada molécula sufre miles de millones de choques por segundo.

Cambios de estado

Los pasajes tienen nombre propio: fusión (sólido a líquido), solidificación, vaporización, condensación, sublimación (de sólido a gas directamente, como el hielo seco) y deposición (como la escarcha). Durante un cambio de estado la temperatura no sube aunque se siga aplicando calor: toda la energía se usa para romper uniones. Ese calor latente, estudiado por el escocés Joseph Black hacia 1761, explica por qué el sudor enfría la piel al evaporarse.

La presión también manda. En lo alto del Everest, a 8.849 metros, el agua hierve a unos 70 °C, por lo que cocinar un fideo cuesta mucho más. Una olla a presión hace lo contrario: eleva el punto de ebullición por encima de 100 °C. Cada sustancia tiene un punto triple, una combinación de presión y temperatura en la que conviven los tres estados; para el agua es 0,01 °C y apenas 611 pascales.

Dato curioso: el agua es una rareza: al congelarse se expande cerca de un 9 %, por eso el hielo flota. Si se hundiera, lagos y mares se congelarían desde el fondo y la vida acuática sería muy distinta.

El plasma, el estado más común del universo

Si se calienta un gas lo suficiente, los electrones se separan de los átomos y queda una sopa de iones y electrones libres: el plasma, bautizado así por el químico Irving Langmuir en 1928. Es conductor y responde a campos magnéticos. Las estrellas, incluido el Sol, cuya superficie está a unos 5.500 °C, son de plasma, igual que los rayos, las auroras y el interior de los antiguos tubos fluorescentes. Más del 99 % de la materia visible del universo se encuentra en este estado.

En el borde del cero absoluto

En 1924 el físico indio Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron que, a temperaturas cercanísimas al cero absoluto, ciertos átomos dejarían de comportarse como individuos y se fundirían en una única onda cuántica: el condensado de Bose-Einstein. Tardó 71 años en lograrse. El 5 de junio de 1995, en Boulder, Colorado, Eric Cornell y Carl Wieman enfriaron átomos de rubidio a unas 170 milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto y lo obtuvieron; recibieron el Nobel de Física de 2001 junto a Wolfgang Ketterle.

Estados intermedios

No todo encaja en las categorías escolares. El vidrio es un sólido amorfo, sin orden cristalino. Los cristales líquidos, descubiertos por el botánico austríaco Friedrich Reinitzer en 1888, fluyen como líquidos pero orientan sus moléculas como sólidos: son el corazón de las pantallas LCD. Los fluidos supercríticos, como el CO₂ a alta presión, se usan para descafeinar el café. Y en las estrellas de neutrones la materia alcanza densidades en las que una cucharadita pesaría miles de millones de toneladas.