4.4 Cambios físicos y químicos

Pregunta esencial

¿Qué cambia de verdad en un cambio químico?

En el Tema 4.1 usamos observaciones como burbujas y cambios de color. Esta lección se acerca al nivel de partículas para ver qué pasa con los enlaces y las atracciones. Al terminar, deberías poder respaldar una afirmación sobre un cambio con evidencia y razonamiento a nivel de partículas.

Enlaces frente a fuerzas intermoleculares

• Enlace: mantiene unidos a los átomos dentro de una partícula.
• FIM (fuerza intermolecular): una atracción entre partículas separadas.
• Los enlaces son mucho más fuertes que las FIM.

En cada molécula de agua, las líneas sólidas son enlaces covalentes O-H. La línea punteada es un puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua, que es una FIM. La diferencia de intensidad es la clave para distinguir los cambios físicos de los químicos.

Cambio físico: solo cambian las FIM

• Los cambios de fase vencen las FIM.
• Las moléculas siguen enteras.

En el agua líquida, las moléculas están juntas, sujetas por las FIM. En el gas, están muy separadas. Cada molécula sigue siendo H₂O: los enlaces O-H dentro de cada molécula no se rompieron. Los procesos que solo cambian las FIM, como los cambios de fase, son cambios físicos.

Cambio químico: los enlaces se rompen y se forman

• Los enlaces dentro de las partículas se rompen.
• Los enlaces nuevos forman sustancias nuevas.

Cuando la electricidad descompone el agua, 2H₂O → 2H₂ + O₂, los enlaces O-H se rompen. Después se forman enlaces nuevos: enlaces H-H en el gas hidrógeno y un enlace O=O en el gas oxígeno. Se producen sustancias nuevas con propiedades nuevas, así que es un cambio químico.

Comparación de los dos cambios

	Ebullición del agua	Descomposición del agua
Lo que se vence o se rompe	FIM	Enlaces covalentes
Productos	H2O(g), sigue siendo agua	H2 y O2, sustancias nuevas
Energía necesaria	Algo	Mucha más

Descomponer el agua requiere mucha más energía que hervirla, porque romper enlaces requiere más energía que vencer las FIM.

Disolución: una zona gris

• Los enlaces iónicos del cristal se rompen.
• Se forman atracciones ion-dipolo.
• Se puede argumentar en ambos sentidos.

Cuando el cloruro de sodio se disuelve, los enlaces iónicos que mantienen unido el cristal se rompen, y eso suena químico. Al mismo tiempo, se forman atracciones nuevas entre los iones y el agua. El extremo de oxígeno, negativo, de cada molécula de agua mira hacia el Na⁺, y el extremo de hidrógeno, positivo, mira hacia el Cl⁻. Estas atracciones ion-dipolo son FIM. El marco de AP dice que la disolución se puede argumentar en ambos sentidos, siempre que respaldes tu afirmación con razonamiento sobre enlaces y atracciones.

Respaldo de tu afirmación

En el examen de AP, muchas veces respaldarás una afirmación con evidencia de datos. Una respuesta sólida tiene tres partes:

1. Afirmación: ¿el cambio es físico o químico?
2. Evidencia: datos u observaciones, como un cambio de masa, un color nuevo o un gas liberado.
3. Razonamiento: lo que pasó a nivel de partículas. ¿Se rompieron y se formaron enlaces, o solo se vencieron FIM?

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Calentamiento de yodo

El yodo sólido se calienta y se convierte directamente en un gas morado. Cuando se enfría, se forman otra vez cristales gris oscuro. ¿Es un cambio físico o químico? Da una justificación a nivel de partículas.

Mostrar la solución

1. Escribe lo que pasa: I₂(s) → I₂(g). El yodo existe como moléculas de I₂ en las dos fases. Pasar directamente de sólido a gas se llama sublimación.
2. Evidencia: los cristales originales gris oscuro se forman de nuevo al enfriarse, así que no se produjo ninguna sustancia nueva.
3. Razonamiento: el calentamiento vence las fuerzas de dispersión de London entre las moléculas de I₂. El enlace covalente I-I dentro de cada molécula sigue intacto.
4. Afirmación: Cambio físico, porque solo cambiaron las fuerzas intermoleculares.

Ejemplo 2: Uso de datos

Un estudiante calienta 10.0 g de un sólido blanco. Se libera un gas que enturbia el agua de cal. Después, quedan 5.6 g de un sólido blanco distinto. ¿Es un cambio físico o químico? Respalda tu afirmación con evidencia.

Mostrar la solución

1. Evidencia 1: la masa del sólido disminuyó de 10.0 g a 5.6 g.
2. ¿A dónde se fue la masa? La masa se conserva, así que 10.0 g − 5.6 g = 4.4 g salieron como gas.
3. Evidencia 2: el gas enturbia el agua de cal, que es la prueba del CO₂. Un gas que antes no estaba es una sustancia nueva, y el sólido que queda también es una sustancia distinta.
4. Razonamiento: para que se formaran un gas nuevo y un sólido distinto, los enlaces del sólido original tuvieron que romperse y tuvieron que formarse enlaces nuevos.
5. Afirmación: Cambio químico. (Es el carbonato de calcio que se descompone: CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g). No necesitabas saberlo; la evidencia bastaba.)

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 4.4 Cambios físicos y químicos (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Enlaces: dentro de las partículas
• FIM: entre las partículas
• Físico: solo cambian las FIM
• Químico: los enlaces se rompen y se forman
• La disolución se puede argumentar en ambos sentidos

De vuelta a la pregunta esencial: en un cambio químico, los enlaces cambian. Los átomos se reacomodan en combinaciones nuevas y forman sustancias nuevas. A continuación, el Tema 4.5 usa ecuaciones balanceadas para calcular cuánto producto forma una reacción.

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