En esta lección
Llévatelo
- Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
- Hoja de práctica (próximamente)
Pregunta esencial
¿Por qué los distintos sólidos tienen propiedades tan diferentes?
La sal de mesa se rompe en pedazos, el cobre se dobla, el diamante raya el vidrio y el yodo se convierte en vapor en un día cálido. Al terminar esta lección, deberías poder explicar cada una de estas propiedades usando las partículas del sólido y las fuerzas que las mantienen unidas.
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Las fuerzas controlan las propiedades
Unas FIM más fuertes significan:
- Punto de ebullición más alto
- Presión de vapor más baja
- El punto de fusión normalmente sigue la misma tendencia
Cuando las atracciones entre las partículas son débiles, es fácil que las partículas escapen a la fase gaseosa. Más partículas en el vapor significan una presión de vapor más alta, y se necesita menos energía para llegar al punto de ebullición.
Fusión frente a ebullición
- La ebullición separa las partículas por completo, así que el punto de ebullición sigue de cerca la intensidad de las FIM.
- La fusión solo reacomoda las partículas, así que las tendencias del punto de fusión son menos exactas.
En un líquido, las partículas todavía se tocan y todavía se atraen. Por eso el punto de ebullición es la mejor medida de la intensidad de las FIM. El punto de fusión también depende de qué tan bien se acomodan las partículas en el sólido.
Cuatro tipos de sólidos
Para clasificar un sólido, hazte dos preguntas: ¿cuáles son las partículas? y ¿qué las mantiene unidas? Las respuestas explican casi todas las propiedades de este tema.
Sólidos iónicos
Estructura: red cristalina de iones + y −
Propiedades:
- Punto de fusión alto
- Presión de vapor baja
- Quebradizos
- Conducen solo cuando están fundidos o disueltos
En el NaCl, cada ion Na+ está rodeado de iones Cl− y cada ion Cl− está rodeado de iones Na+. Estas atracciones fuertes se extienden en todas direcciones por todo el cristal, así que se necesita mucha energía para separar los iones.
¿Por qué los sólidos iónicos son quebradizos?
Cuando una capa se desplaza, las cargas iguales quedan alineadas. Se repelen y el cristal se rompe.
¿Cuándo conducen los compuestos iónicos?
Para conducir se necesitan partículas con carga que puedan moverse libremente. Un compuesto iónico sólido tiene muchas partículas con carga, pero están fijas en su lugar. Al fundirse o disolverse, los iones quedan libres y pueden transportar corriente.
Sólidos covalentes de red
- Estructura: átomos unidos por enlaces covalentes en una red continua
- Solo no metales y metaloides
- Ejemplos: C (diamante, grafito), SiO2, SiC
- Puntos de fusión muy altos
En el SiO2 no hay moléculas separadas. Todo el cristal es una red gigante de enlaces covalentes Si–O, así que fundirlo significa romper enlaces covalentes, no solo vencer FIM. Por eso el cuarzo se funde a unos 1700 °C.
Diamante frente a grafito
Los dos son carbono puro. En el diamante, todos los ángulos de enlace están fijos en tres dimensiones, así que es rígido y muy duro. El grafito está hecho de láminas planas unidas entre sí solo por FDL débiles, así que las capas se separan con facilidad. Por eso deja una marca cuando escribes con un lápiz.
Sólidos moleculares
Estructura: moléculas separadas unidas por FIM
Propiedades:
- Punto de fusión bajo
- No conducen (los electrones se quedan en los enlaces y en los pares libres)
- Pueden incluir moléculas grandes y polímeros
Cada molécula de I2 se mantiene unida por un enlace covalente fuerte, pero las moléculas vecinas se mantienen unidas entre sí solo por FDL. Esas atracciones débiles son fáciles de vencer, y por eso el yodo sólido se funde a solo 114 °C.
Intramolecular frente a intermolecular
Fundir o hervir una sustancia molecular rompe FIM, no enlaces covalentes. Cuando el hielo se funde o el agua hierve, cada molécula de H2O se mantiene intacta. Solo se vencen las atracciones entre las moléculas.
Sólidos metálicos
Estructura: cationes metálicos en un “mar” de electrones de valencia móviles
Propiedades:
- Conducen el calor y la electricidad
- Maleables y dúctiles
Los electrones de valencia no están atados a un solo átomo. Como pueden moverse libremente por todo el sólido, transportan la corriente eléctrica y transfieren el calor rápidamente.
¿Por qué los metales son maleables?
A diferencia de los sólidos iónicos, desplazar las capas no crea repulsión. Los cationes solo se deslizan a nuevas posiciones y el mar de electrones los sigue manteniendo unidos, así que el metal se dobla en lugar de romperse.
Aleaciones
- Los átomos intersticiales hacen que la red cristalina sea más rígida: menos maleable y dúctil.
- Las aleaciones conservan el mar de electrones, así que siguen conduciendo.
Moléculas grandes y polímeros
- Pueden formarse FIM entre partes de la misma molécula grande
- Estas interacciones determinan la forma de la molécula
- La forma controla la función (ejemplo: las proteínas)
Una sola cadena puede doblarse de modo que distintas secciones queden una junto a otra. Las atracciones no covalentes entre esas secciones mantienen el doblez en su lugar. Si el calor o un cambio de pH las altera, una proteína pierde su forma y deja de funcionar.
Resumen: tipos de sólidos
| Tipo | Partículas | Qué las mantiene unidas | Punto de fusión | ¿Conduce? |
|---|---|---|---|---|
| Iónico | Iones | Atracciones iónicas | Alto | Solo fundido o disuelto |
| Covalente de red | Átomos | Enlaces covalentes | Muy alto | No (grafito: sí) |
| Molecular | Moléculas | FIM | Bajo | No |
| Metálico | Cationes + electrones | Enlace metálico | Varía (a menudo alto) | Sí |
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Identificación del sólido
Se probaron cuatro sólidos desconocidos en el laboratorio. Clasifica cada uno como iónico, covalente de red, molecular o metálico.
| Sólido | Punto de fusión | ¿Conduce como sólido? | ¿Conduce cuando está fundido? | Otras observaciones |
|---|---|---|---|---|
| W | 1085 °C | Sí | Sí | Se puede martillar para formar láminas delgadas |
| X | 801 °C | No | Sí | Se rompe en pedazos al golpearlo |
| Y | 114 °C | No | No | Cristales blandos |
| Z | Más de 2700 °C | No | No | Extremadamente duro |
Mostrar la solución
- Empieza con la conductividad como sólido: solo un sólido con partículas con carga móviles conduce. El sólido W es el único que conduce como sólido, y es maleable. W = metálico.
- Busca “conduce solo cuando está fundido”: eso significa que el sólido tiene iones fijos en su lugar hasta que se funde. El sólido X también tiene un punto de fusión alto y es quebradizo. X = iónico.
- Usa el punto de fusión para separar los que no conducen: Y y Z nunca conducen, así que ninguno tiene cargas móviles. Y se funde a solo 114 °C, así que solo se están venciendo FIM débiles. Y = molecular.
- Termina con Z: un punto de fusión por encima de 2700 °C y una dureza extrema significan que hay que romper enlaces covalentes para fundirlo. Z = covalente de red.
La trampa: un punto de fusión alto por sí solo no te dice el tipo. Los metales, los sólidos iónicos y los sólidos covalentes de red pueden tener puntos de fusión altos, así que revisa siempre primero la conductividad.
Ejemplo 2: SiO2 frente a CO2
El silicio y el carbono están en el Grupo 14, y los dos forman dióxidos. El SiO2 (cuarzo) se funde a unos 1700 °C, pero el CO2 sólido (hielo seco) se convierte en gas a −78 °C. Explica esta diferencia en términos de las partículas y las fuerzas de cada sólido.
Mostrar la solución
- Clasifica el SiO2: el Si y el O son un metaloide y un no metal unidos en una sola red continua. El SiO2 es un sólido covalente de red.
- Clasifica el CO2: cada átomo de C tiene un enlace doble con dos átomos de O, y forma moléculas de CO2 separadas y no polares. El hielo seco es un sólido molecular mantenido unido por FDL.
- Pregunta qué hay que romper: fundir el SiO2 significa romper enlaces covalentes Si–O fuertes. Convertir el CO2(s) en gas solo vence las FDL débiles entre las moléculas. Los enlaces C=O se mantienen intactos.
- Compara las intensidades: los enlaces covalentes son mucho más fuertes que las FDL, así que el SiO2 necesita mucha más energía. El SiO2 tiene un punto de fusión mucho más alto.
Ejemplo de justificación para el examen: El SiO2 es un sólido covalente de red, así que fundirlo requiere romper enlaces covalentes fuertes en toda la red. El CO2 es un sólido molecular, así que convertirlo en gas solo requiere vencer las fuerzas de dispersión de London débiles entre las moléculas, mientras que los enlaces covalentes dentro de cada molécula se mantienen intactos.
Ejemplo 3: Acero frente a hierro puro
El acero se hace agregando una pequeña cantidad de carbono al hierro. Los átomos de carbono son mucho más pequeños que los átomos de hierro. Explica por qué el acero es menos maleable que el hierro puro pero aun así conduce la electricidad.
Mostrar la solución
- Identifica el tipo de aleación: los átomos de carbono son demasiado pequeños para reemplazar a los átomos de hierro en la red cristalina, así que caben en los huecos entre ellos. El acero es una aleación intersticial.
- Explica la maleabilidad del hierro puro: las capas de cationes Fe pueden deslizarse una sobre otra mientras el mar de electrones los mantiene unidos.
- Explica el cambio: los átomos de carbono en los huecos impiden que las capas se deslicen. La red cristalina es más rígida, así que el acero es menos maleable y dúctil.
- Explica la conductividad: agregar carbono no elimina los electrones de valencia móviles. El mar de electrones sigue ahí, así que el acero sigue conduciendo.
Ejemplo de justificación para el examen: En el acero, los átomos pequeños de carbono ocupan los espacios entre los átomos de hierro y forman una aleación intersticial. Estos átomos dificultan que las capas de átomos de hierro se deslicen una sobre otra, así que el acero es menos maleable que el hierro puro. El acero todavía contiene un mar de electrones de valencia móviles, así que sigue conduciendo la electricidad.
Práctica
La hoja de práctica llegará pronto.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Las propiedades vienen de las partículas de un sólido y de las fuerzas que las mantienen unidas.
- Los sólidos iónicos son quebradizos y conducen solo cuando sus iones pueden moverse.
- Los sólidos covalentes de red tienen puntos de fusión muy altos porque hay que romper enlaces covalentes.
- Los sólidos moleculares se funden con facilidad porque solo se vencen FIM.
- Los metales conducen y se doblan por su mar de electrones móviles.
De vuelta a la pregunta esencial: los distintos sólidos tienen propiedades diferentes porque están formados por partículas distintas (iones, átomos, moléculas o cationes en un mar de electrones) mantenidas unidas por fuerzas de intensidades muy distintas. A continuación, el Tema 3.3 compara el acomodo de las partículas en sólidos, líquidos y gases.
Alineación con AP
Esta lección cubre el Tema 3.2, Propiedades de los sólidos, de la Unidad 3 (Propiedades de sustancias y mezclas) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:
- 3.2.A: Explicar la relación entre las propiedades macroscópicas de una sustancia, la estructura a nivel de partículas de la sustancia y las interacciones entre estas partículas.
Conocimiento esencial: 3.2.A.1, 3.2.A.2, 3.2.A.3, 3.2.A.4, 3.2.A.5, 3.2.A.6, 3.2.A.7
Habilidad sugerida: 4.C Análisis de modelos. Explicar la conexión entre las propiedades a nivel de partículas y las propiedades macroscópicas de una sustancia usando modelos y representaciones.