En esta lección
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- Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
- Hoja de práctica (próximamente)
Pregunta esencial
¿En qué se diferencian las partículas de los sólidos, los líquidos y los gases?
Toda sustancia está hecha de partículas, pero esas partículas se comportan de manera muy distinta según la fase. Al terminar esta lección, deberías poder describir la separación y el movimiento de las partículas en cada fase y dibujar diagramas de partículas que muestren esas diferencias.
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Las tres fases de la materia
Las tres cajas tienen el mismo número de partículas. Lo que cambia de una fase a otra es qué tan cerca están las partículas, cómo están acomodadas y cómo se mueven.
Dos tipos de sólidos
- Sólidos cristalinos: partículas en un patrón regular que se repite (p. ej., NaCl, diamante, hielo)
- Sólidos amorfos: partículas sin un patrón regular (p. ej., vidrio, plástico)
En los dos tipos, las partículas se tocan y están fijas en su lugar. La diferencia es el orden: un sólido cristalino se ve igual en cualquier parte que lo mires, mientras que un sólido amorfo es un revoltijo.
Sólidos: movimiento de las partículas
- Las partículas vibran en su lugar.
- No hay traslación total: las partículas no se mueven unas sobre otras.
- La estructura depende de las fuerzas interpartículas y de qué tan bien se acomodan las partículas.
Como las partículas se quedan en posiciones fijas, un sólido tiene forma definida y volumen definido.
Líquidos
- Las partículas están en contacto cercano.
- Las partículas siempre se mueven y chocan.
- Las FIM (como los puentes de hidrógeno) y la temperatura afectan cómo se mueven y se acomodan las partículas.
Las partículas de un líquido todavía se tocan, así que un líquido tiene volumen definido. Aun así, pueden deslizarse unas sobre otras, y por eso un líquido fluye y toma la forma de su recipiente.
Gases
- Las partículas están muy separadas.
- Movimiento constante y al azar.
- Fuerzas mínimas entre las partículas.
- Sin forma ni volumen definidos.
Como casi nada las mantiene unidas, las partículas de un gas se esparcen para llenar el recipiente en el que estén. La mayor parte de una muestra de gas es espacio vacío.
Gases: separación y colisiones
- La separación y las colisiones dependen de T, P y V.
- V más pequeño → partículas más cerca → más colisiones.
- T más alta → partículas más rápidas → más colisiones.
Las mismas partículas, menos espacio: al comprimir un gas en un volumen más pequeño, las partículas quedan más cerca unas de otras, así que chocan entre ellas y con las paredes con más frecuencia. Volverás a ver estas ideas en los Temas 3.4 y 3.5.
Volumen molar
El volumen molar es el volumen que ocupa un mol de una sustancia. Compara el agua en las tres fases:
| Fase | Volumen molar |
|---|---|
| Hielo (0 °C) | 19.6 mL/mol |
| Agua líquida (25 °C) | 18.0 mL/mol |
| Vapor de agua (100 °C) | ~30,600 mL/mol |
- Sólido ≈ líquido: las partículas están en contacto cercano en las dos fases, así que los volúmenes molares son parecidos.
- Gas ≫ líquido: las partículas de un gas están muy separadas, así que el mismo número de partículas ocupa mucho más espacio.
El agua es poco común: el hielo tiene un volumen molar un poco mayor que el agua líquida. Los puentes de hidrógeno fijan el hielo en un patrón cristalino abierto, y por eso el hielo flota. En la mayoría de las sustancias, el sólido es un poco más compacto que el líquido.
Resumen
| Sólido | Líquido | Gas | |
|---|---|---|---|
| Separación | En contacto | En contacto | Muy separadas |
| Movimiento | Vibran en su lugar | Se deslizan unas sobre otras | Rápido y al azar |
| Forma | Definida | La del recipiente | La del recipiente |
| Volumen | Definido | Definido | Llena el recipiente |
Cómo dibujar diagramas de partículas
- Usa el mismo número de partículas en cada fase.
- Sólidos y líquidos: partículas en contacto.
- Los cambios de fase rompen FIM, no enlaces covalentes.
Cuando el agua hierve, las moléculas de H2O se alejan unas de otras, pero cada molécula se mantiene completa. Dibujar átomos de O y de H separados en un gas es uno de los errores más comunes en las preguntas de diagramas de partículas.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Diagramas de partículas del agua
Dibuja un diagrama de partículas de H2O(s), H2O(l) y H2O(g). Usa 10 moléculas en cada caja.
Mostrar la solución
- Misma cantidad: pon exactamente 10 moléculas en cada caja. Cambiar de fase no crea ni destruye partículas.
- Mantén completas las moléculas: dibuja cada molécula como un O con dos H unidos. Los cambios de fase rompen FIM, no los enlaces covalentes O-H.
- H2O(s): moléculas en contacto y acomodadas en un patrón regular que se repite (el hielo es cristalino).
- H2O(l): moléculas que todavía se tocan, pero desordenadas y asentadas en el fondo del recipiente. Un líquido tiene volumen definido pero toma la forma del recipiente.
- H2O(g): moléculas muy separadas y repartidas por todo el recipiente, sin ningún patrón.
- Respuesta: mira el diagrama de abajo.
Ejemplo 2: Elección de un diagrama de partículas
¿Qué diagrama representa mejor el Br2(l) a 25 °C?
Mostrar la solución
- Identifica las partículas: el bromo existe como moléculas diatómicas de Br2, así que cada partícula debe ser dos átomos de Br unidos. La (l) te dice que es un líquido.
- Revisa (A): moléculas en filas ordenadas que se repiten. Eso es un sólido, no un líquido.
- Revisa (C): moléculas muy separadas por todo el recipiente. Eso es un gas.
- Revisa (D): partículas en contacto y desordenadas, pero son átomos de Br individuales. Los enlaces covalentes Br-Br se rompieron, y eso no pasa cuando el bromo cambia de fase.
- Revisa (B): moléculas de Br2 completas, cerca unas de otras, desordenadas, en la parte baja del recipiente. Eso corresponde a un líquido.
- Respuesta: (B)
Ejemplo de justificación para el examen: El diagrama (B) muestra moléculas de Br2 completas que están cerca unas de otras pero no acomodadas en un patrón regular, que es como se acomodan las partículas en un líquido. (A) está ordenado como un sólido, (C) está esparcido como un gas, y (D) muestra de forma incorrecta los enlaces covalentes del Br2 rotos.
Ejemplo 3: Explicación del volumen molar
El vapor de agua tiene un volumen molar unas 1,700 veces mayor que el del agua líquida. Explica esta diferencia a nivel de partículas.
| Volumen molar | |
|---|---|
| H2O(l) a 25 °C | 18.0 mL/mol |
| H2O(g) a 100 °C | ~30,600 mL/mol |
Mostrar la solución
- Revisa la razón: 30,600 mL/mol ÷ 18.0 mL/mol ≈ 1,700. Las unidades se cancelan, así que la razón no tiene unidades.
- Agua líquida: las moléculas están en contacto cercano, unidas por puentes de hidrógeno. El volumen del líquido es parecido al volumen de las moléculas mismas.
- Vapor de agua: las moléculas están muy separadas, con fuerzas mínimas entre ellas. El volumen del gas es sobre todo espacio vacío entre las moléculas.
- La trampa: las moléculas mismas no se hacen más grandes cuando el agua hierve. Cada molécula de H2O tiene el mismo tamaño en las dos fases; solo cambia el espacio entre las moléculas.
- Respuesta: el volumen del vapor de agua es sobre todo espacio vacío entre las moléculas, mientras que las moléculas del agua líquida se tocan.
Ejemplo de respuesta para el examen: En el agua líquida, las moléculas están en contacto cercano y unidas por puentes de hidrógeno. En el vapor de agua, las moléculas están muy separadas, con fuerzas mínimas entre ellas, así que la mayor parte del volumen del gas es espacio vacío. Por lo tanto, el mismo número de moléculas ocupa mucho más volumen como gas.
¿De dónde sale 30,600 mL/mol? A 100 °C y 1 atm, V = nRT/P = (1 mol)(0.08206 L·atm/mol·K)(373 K) ÷ (1 atm) = 30.6 L = 30,600 mL. Practicarás este cálculo en el Tema 3.4.
Práctica
La hoja de práctica llegará pronto.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Sólidos y líquidos: partículas en contacto.
- Los sólidos vibran en su lugar; los líquidos se deslizan unas partículas sobre otras.
- Gases: muy separadas, con movimiento rápido y al azar.
- Los cambios de fase rompen FIM, no enlaces covalentes.
De vuelta a la pregunta esencial: las fases se diferencian en qué tan cerca están las partículas y qué tan libremente se mueven. Las partículas de un sólido se tocan y vibran en su lugar, las de un líquido se tocan pero se deslizan unas sobre otras, y las de un gas están muy separadas y se mueven libremente. A continuación, el Tema 3.4 usa la ley de los gases ideales para conectar la presión, el volumen, la temperatura y los moles de los gases.
Alineación con AP
Esta lección cubre el Tema 3.3, Sólidos, líquidos y gases, 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:
- 3.3.A: Representar las diferencias entre las fases sólida, líquida y gaseosa mediante un modelo a nivel de partículas.
Conocimiento esencial: 3.3.A.1, 3.3.A.2, 3.3.A.3, 3.3.A.4
Habilidad sugerida: 3.C Representación de datos y fenómenos. Representar de forma visual la relación entre las estructuras y las interacciones en varios niveles o escalas (p. ej., de lo particulado a lo macroscópico).