¿De qué depende que una sustancia sea sólida, líquida o gaseosa?

Ya vimos cómo podemos explicar algunas propiedades físicas de las sustancias, como la solubilidad (qué se disuelve en qué) y la miscibilidad (qué se mezcla con qué): según las interacciones intermoleculares, si dos sustancias se mezclan bien, entre ellas deberán estar actuando interacciones intermoleculares intensas, y lo mismo si una sustancia se disuelve en otra.

Ahora veamos cómo podemos explicar otra propiedad física de las sustancias: sus estados de agregación.


 

 Los estados de agregación de la materia 

En líneas generales, podemos definir tres estados de agregación para la materia: sólido, líquido y gaseoso. Además, pueden definirse otros estados como plasma, sol, gel o fluido supercrítico, pero nos centraremos en los tres que ya conocemos ya que son aquellos que encontramos en nuestra vida cotidiana.

¿De qué depende que una sustancia sea sólida, líquida o gaseosa?

  • En términos macroscópicos: depende de los valores de la temperatura y la presión*. Por ejemplo, a presión atmosférica y temperaturas entre 0 y 100°C el agua es líquida, pero a temperaturas menores o mayores que ese rango será sólida o gaseosa. 

*Dado que nuestra experiencia cotidiana involucra presenciar cambios de temperatura (en un mismo día y más aun a lo largo del año la temperatura puede variar significativamente) pero no de presión, usualmente estamos familiarizados con los cambios de estado de agregación asociados a las variaciones de temperatura, pero las variaciones de presión también pueden provocar un cambio en el estado de agregación de las sustancias.

  • En términos submicroscópicos: los estados de agregación son la manifestación macroscópica del balance de energía del sistema de partículas que componen la sustancia. ¡¿Lo que?!

En física aprendimos que podíamos clasificar la energía de un sistema en dos tipos, energía cinética y energía potencial, y esto lo expresábamos con la siguiente ecuación E = EC + EP. Para un sistema de partículas, por ejemplo el conjunto de moléculas que forman una sustancia, la energía cinética está relacionada con la cantidad de movimiento que pueden hacer esas moléculas, y la energía potencial está relacionada con las interacciones intermoleculares entre esas moléculas.

La energía cinética de las moléculas se relaciona con la temperatura del sistema: a mayor temperatura, mayor será la energía cinética de las moléculas y por lo tanto tendrán más movilidad. Dado que la humanidad controla el fuego hace miles de años, acá aparece algo muy importante: podemos controlar la energía cinética de las moléculas calentando o enfriando la sustancia que forman esas moléculas. En cambio, las interacciones intermoleculares dependen de la estructura de las moléculas (si son o no polares, si pueden formar puentes de hidrógeno, o si son voluminosas y por lo tanto sus interacciones de London son intensas), es decir que la energía potencial de un conjunto de moléculas es masomenos constante y no podemos controlarla.

 

 Actividad 1: simulador de estados de agregación 

En el siguiente simulador pueden ver representaciones de conjuntos de moléculas de distintas sustancias, en los distintos estados de agregación. Pueden variar la temperatura y ver qué pasa con las moléculas. Usando el simulador en modo "Estado" y eligiendo que el termómetro les muestre la temperatura en °C, respondan las siguientes preguntas:

1) ¿Qué ocurre con la cantidad de movimiento de las moléculas al calentar el sistema? ¿Ocurre lo mismo para todas las sustancias?

2) Observen los estados de agregación de las 4 sustancias que propone el simulador (Neón, Argón, Oxígeno y Agua) a una misma temperatura, tomemos -200°C (para esto, van a tener que calentar o enfriar según el caso, hasta alcanzar esta temperatura). ¿En qué estado de agregación se encuentra cada una de estas sustancias a esta temperatura?

3) Teniendo en cuenta que, si la temperatura es la misma para todas las sustancias, la energía cinética del sistema es la misma para las cuatro sustancias ¿A qué se debe entonces que tengan distintos estados de agregación a -200°C?

4) Sólo contando con la información de los estados de agregación de cada sustancia a -200°C, indique cuáles de las moléculas (si las de neón, las de argón,las de oxígeno o las de agua)  presentan las interacciones intermoleculares más intensas y cuáles las más débiles. ¿Qué interacciones (London, dipolo-dipolo, puente de hidrógeno) se presentan en cada caso?

 

 

 Actividad 2: formulario energía cinética, energía potencial y estados de agregación 

 

 Dos ejemplos de comparaciones de puntos de ebullición (temperatura a la cual el estado de agregación pasa de líquido a sólido) de sustancias analizando las interacciones intermoleculares entre las moléculas que forman las sustancias 

 

 

 Respuestas actividad 1 

1) En todos los casos, al aumentar la aumentar la temperatura aumenta la valocidad a la que se mueven (vibran o se trasladan) las partículas que componen las sustancias.

2) Neón y Argón gaseoso, oxígeno líquido y agua sólida.

3) Todas tienen en promedio la misma energía cinética pero distinta energía potencial, porque las interacciones intermoleculares son diferentes. Cuánto más se atraigan las moléculas que forman una sustancia, más energía en forma de calor se requerirá entregarles para separarlas (estado gaseoso).

4) Evidentemente las interacciones entre las moléculas de agua son muy fuertes, siguen las del oxígeno y las interacciones entre los átomos de neón y entre los átomos de argón deben ser muy débiles. Entre las moléculas de agua hay interacciones de London, dipolo-dipolo y puente de hidrógeno, mientras que en los demás casos serán sólo interacciones de London. La diferencia entre las demás sustancias se debe a que la fuerza de las interacciones de London depende mucho del tamaño de las moléculas.

Fecha: 18/8/2020 | Creado por: Leila Soledad
Categoria: Uniones químicas
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