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

La premisa es incorrecta. No todos los materiales existen exactamente en tres estados diferentes; este es solo el esquema más simple y es aplicable para algunas sustancias iónicas o moleculares simples.

Imaginemos lo que le sucede a una sustancia si comienza a una temperatura baja y agrega cada vez más calor.

Sólido

A temperaturas muy bajas, prácticamente no hay movimiento térmico que impida que las moléculas se peguen. Y se mantienen unidos debido a varias fuerzas (la más simple: los iones de carga opuesta se atraen entre sí electrostáticamente). Si te imaginas esto con muchos imanes pequeños, es bastante evidente que obtienes una fase sólida, es decir, una estructura rígida donde nada se mueve.

Aunque en realidad:

• El helio no se congela a ninguna temperatura: su estado fundamental en el límite de baja temperatura a presión atmosférica es un superfluido . La razón es que, microscópicamente, la materia no se comporta como imanes discretos o algo así, sino de acuerdo con la mecánica cuántica .
• Generalmente no hay un solo estado sólido. En la analogía del imán, puedes construir estructuras completamente diferentes a partir de los mismos componentes. Del mismo modo, lo que simplemente llamamos "hielo" es en realidad solo una posible estructura cristalina para el agua sólida, más precisamente llamada Hielo I _h . Hay muchas otras fases sólidas.

Líquido

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

Aunque en realidad:

• No todos los materiales tienen una fase líquida (al menos no a todas las presiones). _{Por ejemplo, el CO 2} sólido (hielo seco) se sublima a presión atmosférica si 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, esa estructura química también puede ser sacudida por 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 solo tienen un estado (sólido).
  Un material descompuesto no ha entrado en un nuevo estado de la materia, simplemente ha dejado de ser el material original .
  • Además, los materiales que no están compuestos puramente por un tipo de molécula generalmente tampoco tienen un punto de fusión fijo simple. Hay un cierto rango en el que pueden coexistir dos fases. (Más generalmente, puede tener todo tipo de emulsiones, dispersiones, geles, etc.)

Gaseoso

Sin embargo, las moléculas pequeñas y resistentes o los átomos individuales no se molestan tanto por las altas temperaturas. Tampoco tienen fuerzas tan fuertes entre las moléculas. Entonces, si los agitas lo suficientemente fuerte, simplemente comienzan a burbujear de forma independiente. Eso es un gas entonces.

Aunque en realidad:

• Incluso las moléculas más resistentes no sobrevivirán si la temperatura es lo suficientemente alta. Incluso los átomos individuales en algún momento perderán su control sobre los electrones. Esto da como resultado una fase adicional, un plasma .
• A una presión lo suficientemente alta, por encima de un punto crítico , la fase gaseosa no se distinguirá realmente de la líquida: solo tiene un fluido supercrítico . (En mi opinión, esto todavía podría etiquetarse como gas, pero tiene algunas propiedades que se parecen más a un líquido).

Ahora, la pregunta de por qué un material en particular se encuentra en un estado particular a una temperatura y presión dadas no es fácil de responder. Necesita física estadística para predecir el comportamiento. Las cantidades cruciales son la energía y la entropía.. Básicamente, el movimiento térmico aleatorio tiende a causar desorden (que se cuantifica por el aumento de la entropía). A cualquier temperatura dada, hay una cantidad correspondiente de energía disponible para superar la fuerza de atracción, y dentro de ese presupuesto de energía, el sistema se acerca al estado con la entropía más alta. Un sólido tiene poca entropía, pero si no hay mucha energía disponible, este 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 lo tanto, tiene mucha entropía.

Pero cuánta energía y entropía tiene exactamente un estado dado varía mucho entre los materiales, por lo tanto, no se puede decir simplemente sólido-líquido-gas.

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

La física se trata de observar y medir la naturaleza y luego encontrar modelos matemáticos que se ajusten a las medidas y predigan nuevos comportamientos bajo diferentes condiciones.

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 cómo podemos comunicarnos en este tablero).

Cómo sucede esto se puede explicar dentro de los modelos matemáticos.

1. los átomos y las moléculas son estados de carga neutrales y, matemáticamente, existen fuerzas de desbordamiento que crean atracciones y repulsiones.

2. los estados están cuantificados , es decir, los enlaces no son arbitrarios ni continuos, pero los estados de energía específicos son estables y otros no son estables

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

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

5. Los gases aparecen cuando las combinaciones de temperatura y presión aflojan todos los enlaces del nivel de energía intramolecular y se comporta como un gas ideal.

6. El 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 usando 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. (Así es como se desmorona la galleta, Así es como rueda la pelota, etc.) Si hubiera una sola fase, las describiría un conjunto diferente de teorías, no las que describir con éxito nuestro mundo actual.

Básicamente la existencia de diferentes estados de la materia tiene que ver con las fuerzas intermoleculares , la temperatura de su entorno y de sí mismo y la densidad de la sustancia.

La siguiente imagen muestra cómo se produce la transición entre cada estado (llamadas transiciones de fase).

Estas transiciones ocurren en función del cambio de temperatura de la sustancia.

Ahora, si comprime (aumenta la presión) y reduce la temperatura de gases como$CO_2$entonces puede existir en estado sólido que generalmente se llama Hielo Seco (5.18 bar, - 56.6°C)

Pero existen otros estados exóticos de la materia, como el plasma y el condensado de Bose-Einstein.

Esta es una de esas preguntas graciosas en las que se pone el carro delante del caballo. La materia no "existe" en ningún estado. Simplemente hace lo que hace, en la forma en que lo hace. Los humanos, deseosos de comprender cómo se comportan los diferentes tipos de materia, optaron por 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 de esa manera. Sería trivial declarar "la materia existe en 5 estados" o "la materia existe en 2 estados". Nosotros, en general, hemos optado por 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 interactúan con ellos. Por ejemplo, encontramos que la forma en que se comporta un objeto sólido, como una roca, es fundamentalmente diferente de un líquido, como una corriente de agua, porque para el tipo de cosas que nos preocupan, es una distinción útil. Ser golpeado en la cara con una piedra suele ser un evento muy diferente a ser rociado con agua.

Tenemos fundamentos de por qué ocurren estos estados, basados ​​en el concepto de fuerzas intermoleculares. En un sólido, las moléculas tienen muy poca libertad de movimiento porque las fuerzas intermoleculares las atrapan. Las cosas sólidas 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 aún tienen un gran efecto en su comportamiento. Esta movilidad conduce a rasgos que consideramos lo suficientemente importantes como para categorizarlos, como la fluidez. En los gases, las moléculas tienen tanta libertad de movimiento que las fuerzas intermoleculares se vuelven más una nota al margen cuando se trata de predecir su comportamiento.

Lo que hemos encontrado es que, en muchos casos, las líneas entre estos comportamientos son bastante nítidas. La transición de sólido a líquido o de líquido a gas tiende a ocurrir muy cerca de una temperatura particular. No, eso digo 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 suficientemente efectivas para ayudarnos a comprender el universo que las consideramos "fundamentales". Sin embargo, no todos están de acuerdo. Los físicos de alta energía consideran el caso en el que la energía térmica de un gas es tan alta que comienza a desprenderse de sus propios electrones, convirtiéndose en nada más que un montón de iones. Este material se comporta de manera tan diferente al gas que lo declararon un nuevo tipo "fundamental" (por un lado, ¡se ve afectado por los campos magnéticos!).

Se ha encontrado que para muchos materiales, sus propiedades están bien descritas por estas categorías, ¡así que las mantenemos!

En el otro extremo, hay muchos casos en los que "sólido" no es suficiente para capturar los comportamientos que nos interesan. En estos casos, nos adaptamos. Mi ejemplo favorito es el chocolate, porque el chocolate es una extraña bestia de material. Puedes derretirlo (de sólido a líquido) y los cristales de grasa de chocolate desaparecerán como era de esperar. Sin embargo, algunas estructuras cristalinas son más robustas que otras y requieren temperaturas más altas. Asimismo, los cristales se forman a diferentes temperaturas a medida que lo enfría. Esto conduce a una química notable. Resulta que hay 6 "polimorfos" del cristal de grasa de chocolate, cada uno con sus propias propiedades. De ellos, solo la Forma V es buena para chocolatear. Es el cristal que tiene la característica sensación crujiente que queremos del chocoloate.

Así, cuando uno templa el chocolate, primero eleva la temperatura para derretir todos los cristales. Luego se baja la temperatura para que se enfríe y se formen cristales (cuantos más, mejor). A medida que las grasas se vuelven sólidas, se forman todo tipo de cristales, desde la forma I hasta la forma V (la forma VI es diferente y está asociada con la floración). Después de esto, elevas la temperatura 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 todos los cristales de la Forma I a la Forma IV se derritan, pero mantiene los de la Forma V alrededor. Luego, se vierte el chocolate y se deja enfriar, dejando solo estructuras cristalinas de Forma V.

Tenga en cuenta que todo lo que hablé se refería a sólidos, crecimiento de cristales. A través de todo el proceso, el profano promedio llamaría a ese material 'líquido', pero estoy constantemente congelando y derritiendo cosas dentro de ese estado líquido. El simple concepto de "líquido" simplemente no es suficiente.

Para tratar de responder lo que creo que es su pregunta subyacente, en lugar de la redacción específica que usa ...

Las fuerzas electromagnéticas son tan fuertes. Digamos que tienes una caja medio llena de alguna molécula. El electromagnetismo mantiene unidos a los átomos individuales (manteniendo los electrones unidos a los núcleos) y mantiene unidas a las moléculas mismas (que, simplificado, es en realidad lo mismo que en el caso anterior: la clave es mantener los electrones unidos a los núcleos nuevamente; es solo que los electrones se comparten entre dos núcleos a la vez hasta cierto punto). Finalmente, las moléculas en el cuerpo pueden mantenerse unidas por las mismas fuerzas electromagnéticas para formar sólidos o líquidos.

Cuando se trata de estados de la materia, generalmente hablamos con mayor frecuencia de calor y presión. Para simplificar, voy a fusionar los dos; no es muy útil en la práctica, pero veamos a dónde llegamos. Ya dijimos que las moléculas individuales (por ahora supongamos que toda la materia está hecha de moléculas) tienen algún tipo de atracción entre ellas. Estos "enlaces" tienen cierta energía potencial, básicamente, una medida de cuánta energía tienes que agregar para romper el "enlace". Por ejemplo, una molécula de nitrógeno se mantiene unida con mucha más fuerza que una molécula de oxígeno, por lo que necesita más energía para descomponer el nitrógeno que la que necesita para descomponer el oxígeno. Una forma de ver el calor es como la energía cinética promedio de las partes individuales que componen la materia, lo cual es útil cuando se piensa en los estados de la materia. Cuanto mayor sea el calor, mayor será la posibilidad de que cualquier "colisión" dada tenga suficiente energía para romper ese "enlace" intermolecular que determina el estado.

Dados los cuatro estados básicos de la materia, entonces:

1. Sólido: los enlaces entre las moléculas individuales son mucho más fuertes (requieren más energía para romperse) que el calor. Las moléculas forman así una estructura relativamente rígida donde las moléculas "permanecen en su lugar".
2. Líquido: los enlaces entre las moléculas individuales son lo suficientemente fuertes como para mantener una superficie. Son lo suficientemente débiles como para que los efectos aleatorios del calor sigan rompiendo y reformando los enlaces continuamente, por lo que las moléculas son relativamente libres de moverse, en lugar de mantenerse en su lugar en la estructura rígida de un sólido. No mantienen una forma macroscópica, pero su volumen es prácticamente constante. Esto funciona en ambos sentidos: no se expanden como los gases y apenas se comprimen.
3. Gas: los enlaces entre las moléculas individuales ya no son lo suficientemente fuertes como para dar estructura al gas. Las moléculas individuales apenas interactúan entre sí, y los gases se expanden y comprimen fácilmente debido a eso. Si comprime un gas lo suficiente, obtendrá un líquido (y finalmente, un sólido): básicamente está forzando a las moléculas individuales a acercarse lo suficiente y reforzando las fuerzas intramoleculares con presión externa.
4. Plasma: el calor es tan grande que no solo rompe los enlaces entre las moléculas, sino que también rompe las moléculas y extrae los electrones de los átomos individuales. En general, el plasma se comporta de manera similar a un gas, con algunas propiedades interesantes adicionales.

En definitiva, es un equilibrio entre todas las fuerzas que actúan sobre los constituyentes de la materia. Imagina la máquina de lotería impulsada por el viento, con un ventilador en la parte inferior y un montón de bolas. Y solo para hacerlo un poco más real, imagina que las bolas están pegajosas. A medida que aumente el flujo de aire del ventilador, verá (en una secuencia):

1. Bolas sentadas y moviéndose en el suelo - un "sólido". La pegajosidad es suficiente para evitar el movimiento.
2. Las bolas saltan y se mueven, pero en su mayoría se mantienen en el suelo: un "líquido". La pegajosidad ya no es suficiente para evitar el movimiento, pero aún mantiene unido el bulto, junto con la presión proporcionada por la gravedad.
3. Bolas saltando alrededor del contenedor, rebotando en las paredes (y entre sí, pero no olvide que las moléculas son absurdamente pequeñas en comparación con las bolas; un gas real no tiene demasiadas colisiones) - un "gas" . Ni la adherencia ni la gravedad son lo suficientemente fuertes como para restringir el movimiento de las bolas.
4. La superficie pegajosa se desprende de las bolas y se mueve libremente por todo el recipiente: un "plasma".

El flujo de aire del ventilador es el análogo del "calor", y la fuerza de la gravedad nos proporciona la presión. Aumente la gravedad y las bolas permanecerán sólidas o líquidas bajo flujos de aire más altos ("temperaturas"). Aumente la pegajosidad ("fuerza electromagnética"; en realidad, diferentes moléculas tienen una pegajosidad diferente), y las bolas permanecerán sólidas o líquidas bajo flujos de aire más altos.

No estoy muy seguro de lo que está preguntando, pero puedo explicar la diferencia entre los tres estados comunes de la materia en una escala cualitativa:

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

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

Gas: las moléculas casi nunca se acercan lo suficiente entre sí 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 hacia líquido y gas, y si es suficiente la energía se da en forma de calor, todos los enlaces en las moléculas individuales se romperán y liberarán esa molécula de líquido o sólido a gas.

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

Porque, en general, el estado de la materia reacciona al calor de varias formas. Por ejemplo, a temperatura ambiente el agua es líquida. Retire el calor lo suficiente del agua y en algún momento (es decir, el punto de congelación) se volverá sólido (es decir, hielo). Vuelva a calentar el hielo y se vuelve líquido de nuevo. Agregue aún más calor y se convierte en gas. Si continúa agregando más calor, eventualmente alcanzará un estado de plasma.

Por qué una piedra es sólida y el agua es líquida (o ambos son sólidos) a varias temperaturas se debe a que diferentes átomos tienen diferentes reacciones a otros átomos y condiciones dentro de las cuales existen. Es un poco como preguntar por qué dos personas diferentes piensan de manera diferente en las mismas condiciones/circunstancias: aunque ambos son humanos, lo que los hace diferentes entre sí está involucrado en por qué ambos no reaccionan de la misma manera.

Hasta ahora, nadie ha interpretado la pregunta literalmente, así que lo haré:

"¿Por qué no puede existir toda la materia [en la tierra] en un solo estado (es decir, sólido/líquido/gas)?"

Podría, pero entonces no estaríamos vivos para observarlo. La vida es un fenómeno de falta de equilibrio. Ciertamente hay lugares en el universo donde toda la materia está (más o menos) en el mismo estado, pero son fríos (o muy calientes) y muertos.

El principio de exclusión de Pauli: dos fermiones no pueden estar en el mismo estado.

Eso, y esas cosas, son perezosos: "le gusta" estar en un estado de baja energía.

Estos, junto con las fuerzas entre partículas, generan algunos conjuntos de comportamiento estadístico para un gran número de partículas. Las propiedades particulares de las partículas en cuestión determinan cuándo y si alcanzan alguno de estos estados.

Por debajo del plasma, los niveles de energía de los electrones son tales que todos pueden "encajar" en el pozo de potencial de varios núcleos. La pereza les hace pasar a este estado de baja energía. Pauli Exclusion hace que se apilen uno encima del otro.

Cuando haces la transición a Plasma, los electrones tienen tanta energía que dejan estados vacíos debajo de ellos. Cuando un electrón cae en un agujero de este tipo (emitiendo un fotón), rápidamente recoge más energía de los otros fotones que flotan alrededor y es expulsado nuevamente. Hay suficiente energía para que los electrones y los núcleos actúen de forma independiente. Puedes ver plasma en tu vida diaria encendiendo algo.

A medida que cae la energía disponible, los electrones se acumulan en los estados disponibles alrededor de los núcleos. En este estado, los átomos (núcleos + electrones) o moléculas (colecciones de átomos unidos eléctricamente) se mueven libremente y, a veces, rebotan entre sí. A esto se le llama estado gaseoso de la materia.

Con los electrones en su mayoría en su estado de energía más bajo, en cierto sentido dejan de importar. Un montón de "grados de libertad" desaparecen.

Cada átomo/molécula todavía tiene muchos estados de menor energía en los que puede entrar, pero al igual que antes, cuando un átomo/molécula entra en estados de menor energía, a menudo es "impulsado" a un estado de mayor energía por otra partícula/fotón que se mueve más rápido. golpeándolo

Ahora, menos energía. Ahora los átomos o moléculas estrechamente acoplados se mueven lo suficientemente lento como para que los estados de baja energía cercanos a ellos estén llenos de otros átomos o moléculas. Comienzan a acoplarse con dichos átomos y moléculas cercanos, y pocos tienen la energía para simplemente "alejarse". Si lo comprime más, no hay suficientes agujeros para que quepan los átomos/moléculas, por lo que empuja hacia atrás. Si lo descomprime, el volumen más alto abre nuevos estados para que los átomos/moléculas se deslicen, por lo que absorbe energía.

Este estado líquido es relativamente constante en volumen, con mucha energía absorbida si intentas disminuir su densidad o aumentarla. Requiere mucha presión para comprimirlo.

Sin embargo, todavía hay suficientes estados para que los átomos/moléculas individuales se muevan a un ritmo razonablemente rápido.

Ahora, menos energía. Ahora cada molécula/átomo está atrapada en una trampa. Moverse en cualquier dirección está confinado por otras partículas cercanas, por lo que su molécula empuja contra la molécula en la dirección en la que se dirige y rebota. Esto hace que el asunto sea rígido . Los viajes de larga distancia para moléculas/átomos se vuelven extremadamente improbables. Aumentar/disminuir el volumen generalmente se vuelve aún más enérgico.

En los metales, los electrones menos unidos en las moléculas/átomos actúan como un fluido, ya que pueden fluir de uno a otro, ya que hay estados de energía similares disponibles cerca.

Estos no son los únicos estados de la materia, sino los estados de la materia más comunes con los que interactuamos. Podemos tener condensado de Bose-Einstein, plasma de quarks-gluones, materia degenerada de electrones (enanas blancas), etc., etc. Incluso a nuestras temperaturas y presiones típicas, se pueden alcanzar estados triples donde las cosas se comportan como una mezcla de lo anterior.

Notarás que hablo de moléculas, átomos y electrones arriba. Las moléculas son enlaces que pueden ocurrir antes de que ocurra el comportamiento "macroscópico", pero como cualquier otra cosa, todo puede volverse borroso en el límite. Las moléculas pueden volverse lo suficientemente grandes como para ser macroscópicas (y podría decirse que los cristales son exactamente eso), y agregar energía al sistema puede hacer que se rompan antes de que puedan ocurrir cambios estadísticos a gran escala en el comportamiento de las partículas.