¿Qué es la teoría cinético molecular ? ¿Qué caracteriza a los estados de la materia?
Todo lo que nos rodea , el universo y la Tierra , está formado por materia y que puede cambiar, generando energía . El ser humano se ha preguntado a lo largo del tiempo de que estaba formada la materia. Para dar explicación a esta pregunta, a lo largo de la historia se han postulado diferentes modelos, entre ellos , la teoría cinético- molecular.
Según este modelo, la materia estaría constituida por una unidad fundamental, el átomo, que a su vez pueden agruparse y formar moléculas. Además esta teoría habla de que la materia que compone el universo puede presentarse en tres estados principales que eran sólido, líquido y gas, también se han descubierto nuevos estados . Por las condiciones de la superficie terrestre sólo algunas sustancias, como por ejemplo el agua, se presentan en los tres estados. La mayoría de las sustancias se presentan en un estado concreto y vamos a ver las propiedades y características de esos estados, explicadas desde la teoría cinético molecular.
Origen de la teoría cinético molecular
A lo largo del tiempo sucedieron distintos acontecimientos e investigaciones científicas , que permitieron sentar las bases para establecer esta teoría.
En la antigua Grecia, Demócrito propone “la teoría atómica del Universo” hablando por primera vez del concepto de átomo, como la unidad mínima e indivisible que forma toda la materia que nos rodea. Aristóteles, contrario a esa idea, habla de cuatro elementos: agua, fuego, tierra y aire, con lo cual, por el prestigio de Aristóteles , sus pensamientos prevalecieron y la idea de átomo pasó desapercibida durante muchos años.
A principios del siglo XIX John Dalton postula la teoría atómica hablando del átomo como la partícula más pequeña en que puede ser dividido un elemento sin perder sus propiedades.
En el año 1738 Daniel Bernoulli había planteado que los gases estaban formados por moléculas que chocaban entre sí y con las superficies, generando una presión que se podía apreciar. Al aparecer la teoría atómica, se reconoce que estas moléculas estaban formadas por átomos.
James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann , en el año 1859 desarrollaron una teoría matemática para explicar el comportamiento de los gases y sus leyes.
A lo largo de tiempo se ha ido elaborando un modelo sobre la materia y su constitución, esta teoría es conocida como “Modelo cinético- molecular” nace gracias al conjunto de todos estos estudios realizados en gases.
De acuerdo con este modelo, toda la materia que observamos está formada por unas partículas muy pequeñas, llamadas moléculas, que están a una distancia unas de otras, en continuo movimiento . Entre las moléculas ellas hay unas fuerzas atractivas, llamadas fuerzas de cohesión y también un espacio vacío.
La teoría cinética molecular desarrolla las leyes matemáticas que representan las velocidades de las partículas de los gases, lo que permite calcular algunas variables como la presión y la energía cinética del gas. Así el estudio del movimiento de un gas se puede determinar mediante este modelo, que describe los gases como partículas moviéndose.
Teoría cinético molecular de los gases
Esta teoría postula que la materia está formada por un conjunto de partículas, conocidas como átomos o moléculas, que se encuentran en continuo movimiento. Se basa en cinco postulados que describen el comportamiento de las moléculas de un gas. Estos postulados son:
- Las sustancias gaseosas están formadas por moléculas pequeñísimas colocadas a gran distancia entre sí. Su volumen se considera despreciable en comparación con los espacios vacíos que hay entre ellas.
- Las moléculas son independientes . Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras y no hay atracción ni repulsión intermolecular alguna.
- Las moléculas se mueven y chocan. Las moléculas están en continuo movimiento con altas velocidades, de manera desordenada. Se mueven en líneas rectas con velocidad uniforme, chocan entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene, dando lugar a la presión del gas.
- Los choques son elásticos. No hay pérdida ni ganancia de energía cinética aunque si , transferencia de energía entre las moléculas que chocan.
- El promedio de energía cinética de una molécula es de 3kT/2 – siendo K la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta.
En el siguiente video puedes ver una sencilla explicación con loa teoría cinético molecular. Te invito a que lo veas.
Teoría cinético molecular de los estados de la materia
En los siglos XIX y XX varios científicos extrapolaron el modelo cinético molecular de los gases a otros estados, por tanto, esta teoría nace a partir del estudio del estado gaseoso, que permitió redactar ideas sobre los otros estados, explicando la constitución de sólidos y líquidos. Esta teoría describe el comportamiento y propiedades de la materia en base a unos postulados:
1. La materia está formada por partículas que pueden ser átomos o moléculas, cuyas características, forma y tamaño determinan los estados sólido, líquido y gas.
2.Las partículas están en continuo movimiento en la materia. En los sólidos y líquidos las fuerzas de cohesión limitan el movimiento, es necesario vencer esas fuerzas para que un líquido se evapore o un sólido funda.
3.La energía de las partículas depende de la temperatura. Si la temperatura es mayor, también lo será el movimiento y por tanto la energía cinética.
4.Los choques o colisiones entre partículas son elásticos. Así, la energía cinética de una partícula se transfiere a otra sin pérdidas de la energía global.
5.Entre las partículas hay interacciones de diferente intensidad,(fuerzas de cohesión) dependiendo del estado de agregación.
Según este modelo cinético molecular toda la materia que observamos está formada por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y unidas por una fuerza de cohesión existente entre las moléculas de la misma materia. Entre moléculas hay un espacio vacío.
Si las moléculas están muy próximas se mueven en posición fija con fuerzas de cohesión grandes, será el estado sólido. Cuando las moléculas están más separadas la fuerza de cohesión es menor, por lo que pueden cambiar de posición más fácilmente, es el estado líquido. En el estado gaseoso, las moléculas están muy separadas unas de otras, un movimiento libre y apenas existen fuerzas de cohesión.
La energía de la materia y las fuerzas de cohesión dependen de la temperatura, por eso es posible pasar la materia de un estado a otro, aplicando la energía suficiente, mediante un aumento de temperatura o quitando energía mediante un enfriamiento.
Se explicaron las propiedades de los gases y su comportamiento con esta teoría y luego se extrapolaron a los otros estados. Los gases están formados por moléculas en continuo movimiento, rápido, continuo y rectilíneo. Las moléculas de los gases están muy separadas entre sí y no hay fuerzas entre moléculas, excepto cuando hay colisiones. Las propiedades de los gases se describen en relación a tres variables de estado: presión, volumen y temperatura. Tendremos en cuenta también el número de moléculas. Ver origen teoria cinetico molecular
Características de los estados de la materia
Además de explicar el comportamiento de los gases, la teoría cinético- molecular permite también estudiar las propiedades de sólidos y líquidos. Para ello, es suficiente ver que cualquier sistema material, sólido, líquido o gaseoso está formado por partículas microscópicas. Estos estados de agregación se diferencian por las fuerzas con que están unidas las partículas y su capacidad de movimiento.
- Sólido. Las partículas unidas por fuerzas intensas y ocupando posiciones fijas. Las partículas sólo vibran ligeramente alrededor de esas posiciones fijas.
- Líquido. Las fuerzas de cohesión que unen las partículas son menos intensas que en los sólidos y pueden deslizarse unas sobre otras.
- Gas. Las partículas se encuentran muy separadas unas de otras por lo que pueden moverse libremente en cualquier dirección al ser las fuerzas de cohesión débiles o inexistentes.
Se les llama estados de agregación de la materia en relación a la disposición de los átomos y las fuerzas de unión que los constituyen, estos átomos se van a agregar unos a otros de manera diferente dependiendo de si son sólidos, líquidos o gases. Además cada estado de la materia tiene unas determinadas características y debido a cambios en el entorno la materia podrá cambiar de estado, viéndose alteradas sus propiedades.
Desde siempre se han conocido tres estados fundamentales de la materia: sólido, líquido y gas. Con el tiempo se han descubierto otros estados : estado plasmático, el Bose-Einstein (BEC), el condensado de Fermi y el supersólido.
Estado sólido
El estado sólido es aquel en el que observamos materia fija. Un cuerpo en estado sólido tiene los átomos muy juntos que le dan una forma regular, fija, constante e invariable y un volumen igualmente definido. Los sólidos son por tanto incompresibles, es decir, no se pueden comprimir y sus partícular apenas pueden moverse , sólo vibran ligeramente en posiciones practicamente fijas y se dilatan cuando son sometidos a un aumento de temperatura . Son también impenetrables y no pueden fluir. Por ejemplo: las rocas, metales, madera, hielo…
Estado líquido
El estado líquido corresponde a los fluidos. En el estado líquido las fuerzas de cohesión que unen átomos y moléculas son menoresque en los sólidos , por lo que la masa es fija pero su forma es variable; así los líquidos pueden adaptarse al recipiente que los contiene. De esta forma su volumen es constante pero su forma no lo es, además pueden fluir y no son compresibles. Por ejemplo: el agua, el aceite, los zumos..
Estado gaseoso
La materia en estado gaseoso tiene una masa fija pero hay grandes espacios vacíos entre los átomos, de manera que los gases tienen forma y volumen variables, ocupando todo el espacio disponible y adaptándose al recipiente porque no hay fuerzas de atraccción entre sus partículas. Los gases, por tanto pueden comprimirse, pueden fluir y no tienen forma y volumen definido. Por ejemplo: vapor de agua, oxígeno (O2 ) dióxido de carbono (CO2)
Video explicativo de los estados de la materia
A continuación puedes ver un breve resumen en video sobre estos tres estados de la materia
Propiedades de los tres estados: sólido, líquido y gas
| Propiedadades | Estado sólido | Estado líquido | Estado gaseoso |
| Masa | Fija | Fija | fija |
| Forma | Invariable | Variable | Variable |
| Volumen | Constante | Constante | Variable |
| ¿Son compresibles? | No | No | Si |
| ¿Son impenetrables? | Si | No | No |
| ¿Pueden fluir? | No | Si | Si |
Los nuevos estados físicos de la materia.
Hay otros estados de la materia que los científicos han descubierto recientemente en el laboratorio : el estado plasma y el condensado de Bose-Einstein.
El estado plasma
De características similares al estado gaseoso, hay algunas diferencias que han permitido diferenciarlo como un estado diferente.
El plasma se trata de un gas ionizado que puede conducir la electricidad, sin forma ni volumen fijo sino que adquiere la del recipiente que lo contiene. Este estado al verse influido por un campo magnético puede formar rayos, filamentos y capas dobles.
Este estado es muy común en el universo intergaláctico o espacio sideral, de ahí su importancia, de esta forma hay plasma en el sol y las estrellas.. De manera artificial las pantallas de televisores de plasma lo contienen, en ellas hay gases que se cargan electricamente para pasar a estado de plasma y por medio de los electrodos de la pantalla , puede emitir luz.
Condensado de Bose- Einstein
En el año 1924, al aplicar la estadística a la mecánica cuántica, Satyendra Bose y Albert Einstein predijeron la existencia de un nuevo estado de la materia. Para estos científicos, al enfriarse la materia a temperaturas próximas al cero absoluto, las partículas que la forman caen todas al mismo nivel de energía. Esa situación haría que las partículas se convirtiesen en indistinguibles y pasasen a formar un “superátomo”.
Sería en el año 1995 cuando Wieman y Ketterle fueron capaces de reproducir un estado condensado de Bose-Einstein con la ayuda de potentes láseres y electroimanes.
Este estado se caracteriza por:
- Superfluidez y superconductividad
- Es capaz de ralentizar la velocidad de la luz, que al atravesarlo llega a tener velocidades de metros por segundo