Introducción a las Fases y Fuerzas Intermoleculares
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- Describir fases y cambios de fase a nivel molecular
Fases de la materia significan el estado de un material, como sólido, líquido o gas. ¿Cómo podemos predecir si un material será sólido, líquido o gas bajo ciertas condiciones? Tenemos que conocer las fuerzas que mantienen unido el material.
En los sólidos, las moléculas o iones separados se mantienen firmemente en sus posiciones por algún tipo de fuerza. Podrían vibrar un poco en su lugar, pero no se mueven. Por esta razón, los sólidos no cambian fácilmente de forma. Es posible que puedas doblarlos o romperlos, pero generalmente no cambian de forma por sí mismos.
En los líquidos, las moléculas o iones separados se mantienen juntas por algún tipo de fuerza, pero pueden moverse mientras permanecen juntos. Por esta razón, un líquido puede cambiar de forma para adaptarse a lo que lo esté sujetando. Pero al igual que los sólidos, los líquidos tienen un volumen aproximadamente constante. Incluso si el líquido fluye hacia una nueva forma, la distancia entre las moléculas no cambia, por lo que el volumen total permanece igual.
En un gas, generalmente las moléculas rebotan alrededor como si no hubiera fuerzas entre ellas. (Ver Teoría Cinético-Molecular de Gases.) A presión muy alta, cuando se ven obligados a estar cerca, podríamos empezar a notar que hay algunas fuerzas entre las moléculas (porque la presión es menor de lo que esperamos de la Ley de Gas Ideal) pero generalmente se mueven por separado. Debido a que no se sienten realmente atraídos el uno por el otro y tienen mucha energía cinética (al menos a temperaturas normales), llenan todo el espacio que tienen. Por lo que los gases pueden tomar cualquier forma, y también pueden cambiar mucho el volumen.
Cuanto mayor sea la temperatura, más energía cinética tienen las moléculas o iones. Con más energía cinética, es más difícil para ellos permanecer en su lugar en un sólido, o no rebotar directamente de un líquido y convertirse en un gas. Entonces, a medida que aumentemos la temperatura, podríamos ver transiciones de fase de sólido a líquido a gas. Podemos pensar en estas transiciones usando el equilibrio, como cuando pensamos en los equilibrios de reacción y solubilidad. Piensa en un líquido en un recipiente cerrado, como una botella medio llena de agua. Algunas de las moléculas tienen mayor energía cinética y otras tienen menor energía cinética. Si una molécula con gran energía cinética está en la superficie del líquido, podría volar y entrar en estado gaseoso. Al mismo tiempo, otras moléculas en estado gaseoso podrían chocar con la superficie del líquido, y si no tienen mucha energía cinética, podrían quedarse ahí y unirse al líquido. Se trata de un equilibrio dinámico: las moléculas van y vienen entre los 2 estados. Si aumentamos la temperatura, la energía cinética promedio aumenta, y eso significa que es más probable que las moléculas tengan suficiente energía cinética para entrar o permanecer en la fase gaseosa. Las moléculas líquidas se convertirán en moléculas de gas con mayor frecuencia y las moléculas de gas se convertirán en moléculas líquidas con menos frecuencia Entonces el equilibrio se moverá, por lo que un% mayor del total de moléculas son gas.
En muchos casos, existe una temperatura específica por encima de la cual todo un material va de sólido a líquido (un punto de fusión) o de líquido a gas (un punto de ebullición). La temperatura que sea depende de la fuerza y el tipo de fuerzas entre las moléculas y los iones. Si las fuerzas son fuertes, entonces se necesita más energía cinética para hacer que las moléculas se muevan o se separen y se conviertan en gas, lo que significa que el punto de fusión y el punto de ebullición son más altos. Si las fuerzas entre las moléculas son muy débiles, entonces el material puede ser un gas, y puede ser difícil enfriarlo lo suficiente como para hacer un líquido.
En las siguientes secciones, hablaremos sobre las fuerzas entre moléculas que determinan los puntos de ebullición y los puntos de fusión y otras propiedades importantes. (Así, se les llama fuerzas intermoleculares, para separarlas de las fuerzas dentro de las moléculas que mantienen unidas a las moléculas). Estas fuerzas suelen llamarse fuerzas de Van der Waals después de Johannes van der Waals, quien escribió la ecuación para los gases reales. Van der Waals descubrió que la razón por la que las presiones de gas suelen ser más bajas de lo que esperamos (a alta presión) es porque hay atracciones entre las moléculas. En realidad Van der Waals era hijo de un carpintero al que no se le permitía ingresar a la universidad porque no tenía la educación primaria cara adecuada. Pero él tomó clases de todos modos, se convirtió en profesor, y finalmente cambiaron las reglas para el ingreso a la universidad, por lo que obtuvo un doctorado, se hizo famoso, se convirtió en profesor y ganó el Premio Nobel.
Enlaces externos
- Khan Academy: Estados de la materia (19 min)
- CrashCourse Química: Líquidos (11 min)
Colaboradores y Atribuciones
Emily V Eames (City College of San Francisco)