Sólidos y líquidos
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- Escrito por: Germán Fernández
- Categoría: Sólidos y líquidos
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Observa la Figura, una aguja de acero, mucho más densa que el agua, flota sobre su superficie. ¿Cómo es posible? La clave reside en una propiedad fascinante de los líquidos: la tensión superficial.
Imagina las moléculas de un líquido como pequeñas esferas. En el interior del líquido, cada molécula está rodeada por otras vecinas en todas direcciones, atrayéndose mutuamente por fuerzas intermoleculares. Sin embargo, las moléculas de la superficie no tienen tantas vecinas, ya que solo están rodeadas por otras moléculas en el interior del líquido y en los lados.
Esta diferencia en el número de vecinas crea un desequilibrio energético. Las moléculas del interior, con más interacciones atractivas, se encuentran en un estado de energía más bajo que las de la superficie. Por ello, el líquido busca minimizar su área superficial, concentrando las moléculas en el interior y dejando la menor cantidad posible en la superficie.
En el caso de la aguja, la tensión superficial del agua actúa como una barrera contra la fuerza de la gravedad. Para que la aguja se hunda, se necesitaría aumentar el área superficial del agua por encima de ella, lo que requiere energía. La tensión superficial proporciona la fuerza suficiente para mantener la aguja flotando, desafiando la gravedad.
La tensión superficial, representada por la letra griega gamma (γ), se mide en unidades de energía por unidad de área, generalmente julios por metro cuadrado (J/m²). Cuanto mayor sea la tensión superficial, más energía se requiere para aumentar el área superficial del líquido.
Al aumentar la temperatura, las moléculas del líquido se mueven con mayor energía, debilitando las fuerzas intermoleculares. Esto facilita la expansión de la superficie del líquido, reduciendo la tensión superficial.
Mojar o no mojar:
Cuando una gota de líquido se posa sobre una superficie, se produce un encuentro entre dos tipos de fuerzas intermoleculares: cohesión (entre moléculas del líquido) y adhesión (entre moléculas del líquido y la superficie).
- Si las fuerzas de cohesión son fuertes en comparación con las de adhesión, la gota mantendrá su forma esférica.
- Si las fuerzas de adhesión son lo suficientemente fuertes, la gota se extenderá sobre la superficie, formando una película.
En este equilibrio entre fuerzas reside la capacidad de un líquido para mojar una superficie.
La tensión superficial no es solo una curiosidad científica; tiene un papel crucial en diversos fenómenos cotidianos, desde la formación de burbujas de jabón hasta el transporte de agua en las plantas. Al comprender este concepto, podemos apreciar la complejidad del mundo molecular y su influencia en nuestro entorno.
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Imagina un mar de moléculas diminutas, todas en constante movimiento. Algunas se atraen con fuerza, como si tuvieran imanes minúsculos, mientras que otras se deslizan con facilidad. Esta interacción entre las moléculas es la clave para entender la viscosidad, la resistencia que presenta un fluido a fluir.
Cuanto más fuertes sean las fuerzas intermoleculares, más "pegajosa" será la sustancia y mayor su viscosidad. Es como si las moléculas se agarraran entre sí, creando una "fricción interna" que dificulta su movimiento.
Piensa en la miel, un fluido con una alta viscosidad. Sus moléculas se atraen con tanta fuerza que fluye lentamente, como si estuviera pegadiza. En cambio, el agua, con moléculas más débiles, se desliza con facilidad.
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Imagina un mar de moléculas diminutas, algunas moviéndose con rapidez y otras con lentitud. A mayor temperatura, más moléculas tienen la energía suficiente para escapar de la atracción de sus vecinas y saltar al estado gaseoso. Este proceso, conocido como vaporización, enfría el líquido que queda atrás, ¡como si las moléculas más "energéticas" se llevaran consigo un poco de calor, quiero decir energía!
Para que la vaporización ocurra a temperatura constante, hay que suministrar calor al líquido, compensando la energía que se llevan las moléculas fugitivas. La cantidad de calor necesaria para vaporizar una cantidad específica de líquido se llama entalpía de vaporización y se mide en kilojulios por mol (kJ/mol).
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Imagina un vaso de precipitados con agua. Si lo dejamos destapado, el agua se evapora hasta desaparecer. Pero si lo colocamos dentro de un recipiente cerrado, algo distinto sucede: vapor y líquido coexisten en un baile constante.
En este recipiente cerrado, la vaporización (el agua que se convierte en vapor) y la condensación (el vapor que se convierte en agua) ocurren al mismo tiempo. Llega un momento en que la cantidad de vapor se estabiliza, ni aumenta ni disminuye. ¡Es el equilibrio dinámico!
El equilibrio dinámico significa que dos procesos opuestos ocurren a la misma velocidad, como si se compensaran. En este caso, la cantidad de vapor que se produce es igual a la cantidad que se condensa.
La presión que ejerce el vapor en este equilibrio se llama presión de vapor. Los líquidos con presiones de vapor altas a temperatura ambiente son volátiles (como el éter dietílico o la acetona), mientras que los que tienen presiones de vapor bajas son no volátiles (como el agua o el mercurio).
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Imagina un cazo con agua en la estufa. A medida que la calentamos, las moléculas se agitan, como si estuvieran bailando con mayor energía. Llega un momento en que este baile se vuelve tan intenso que algunas moléculas se liberan del líquido y se convierten en vapor, formando burbujas que suben a la superficie.
Ese momento es la ebullición, cuando la presión del vapor dentro del líquido iguala la presión atmosférica. La temperatura del líquido se congela en ese punto, toda la energía que se le aporta se utiliza para transformar el líquido en vapor, hasta que no quede ni una gota.
El punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor del líquido alcanza la presión atmosférica normal (1 atmósfera). Es como si el líquido se rebelara contra la presión del aire y decidiera escapar a toda costa.
En altitudes elevadas, la presión atmosférica es menor, por lo que el agua hierve a temperaturas más bajas. En Denver, por ejemplo, el agua hierve a 95 °C, mientras que en el nivel del mar lo hace a 100 °C.
Para cocinar a grandes alturas, se utilizan ollas a presión, que aumentan la presión dentro de la olla y elevan el punto de ebullición del agua, permitiendo que los alimentos se cocinen a la temperatura adecuada.
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Imagina un líquido encerrado en un tubo de vidrio. A medida que aumentamos la temperatura, la presión del vapor dentro del tubo crece sin cesar, desafiando las leyes de la ebullición.
En este escenario, algo extraordinario sucede: las densidades del líquido y el vapor se acercan cada vez más hasta igualarse. La tensión superficial del líquido, esa fuerza que mantiene su "piel" unida, se debilita hasta desaparecer.
En ese preciso instante, a una temperatura y presión específicas, se alcanza el punto crítico: el momento en que líquido y vapor se fusionan en una única sustancia, indistinguible a nuestros ojos.
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Imagina un sólido cristalino, como un castillo de hielo. A medida que lo calentamos, los átomos que lo componen comienzan a vibrar con más energía, como si bailaran cada vez más rápido. Llega un momento en que este baile se vuelve tan intenso que el orden del castillo se rompe: los átomos se deslizan unos sobre otros y el sólido se derrite, convirtiéndose en un líquido.
Este proceso se llama fusión, y la temperatura a la que ocurre es el punto de fusión. Es como si el calor le diera a los átomos la fuerza suficiente para escapar de su lugar fijo y fluir libremente.
El proceso inverso, la solidificación o congelación, ocurre cuando el líquido se enfría y los átomos vuelven a encontrarse y ordenarse en la estructura cristalina. La temperatura de congelación es la misma que la de fusión.
- La fusión es el cambio de un sólido a un líquido.
- El punto de fusión es la temperatura a la que ocurre la fusión.
- La congelación es el cambio de un líquido a un sólido.
- El punto de congelación es la temperatura a la que ocurre la congelación.
- El punto de fusión y el punto de congelación de una sustancia son la misma temperatura.
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Los sólidos, como los líquidos, también pueden convertirse en vapor. Sin embargo, debido a que las fuerzas intermoleculares son más fuertes en los sólidos, generalmente no son tan volátiles como los líquidos a la misma temperatura.
El proceso por el cual las moléculas de un sólido pasan directamente al estado de vapor se llama sublimación. El proceso inverso, donde las moléculas del vapor se convierten en sólido, se llama deposición.
En la imagen puede observarse la sublimación del yodo.
Cuando la sublimación y la deposición ocurren a la misma velocidad, hay un equilibrio dinámico entre el sólido y su vapor. El vapor ejerce una presión característica, llamada presión de sublimación. La gráfica que representa la presión de sublimación en función de la temperatura se llama curva de sublimación.
La entalpía de sublimación (ΔHsub) es la cantidad de calor necesaria para convertir un sólido en su vapor. En el punto de sublimación, la sublimación (sólido → vapor) es equivalente a la fusión (sólido → líquido) seguida de la vaporización (líquido → vapor). Esto se refleja en la siguiente relación entre ΔHsub, ΔHfus y ΔHvap en el punto de fusión:
ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap
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Imagina que eres un explorador en el mundo de la materia. Tienes a tu disposición un mapa especial, un diagrama de fases, que te muestra cómo las sustancias se comportan ante diferentes temperaturas y presiones.
En este mapa:
- Los puntos rojos representan el estado sólido, donde los átomos, iones o moléculas de la sustancia se encuentran en una estructura ordenada, como en un cristal.
- Los puntos marrones representan el estado gaseoso, donde las partículas se mueven libremente y ocupan todo el espacio disponible.
- Los puntos azules representan el estado líquido, donde las partículas se encuentran más juntas que en el gas pero con mayor libertad de movimiento que en el sólido.
Cada punto del diagrama de fases representa una situación en la que puede encontrarse una sustancia. Las regiones del diagrama corresponden a una única fase o estado de la materia.