Química 1

Quimica 1 – Primer Semestre

RECAPITULACIÓN


Esta síntesis te presenta los conceptos más importantes que se trataron en este capítulo.

La resistencia a fluir de los líquidos se debe principalmente a la atracción entre sus moléculas. Al subir la temperatura, las fuerzas de atracción intermoleculares disminuyen ante el aumento del movimiento molecular, y, como consecuencia, la viscosidad es menor. Sin embargo, al aumentar la presión las moléculas del líquido tienden a juntarse, originando un aumento de dicha propiedad.

En el estado sólido de la materia las moléculas están muy compactas y ocupan posiciones relativamente fijas, lo cual hace que los sólidos tengan una forma definida. Aunque las partículas de un sólido no se mueven libremente, por las fuerzas de atracción que existen entre ellas están vibrando alrededor de las posiciones que ocupan.

Cuando un sólido se calienta lo suficiente, las vibraciones de sus partículas (átomos, moléculas o iones) se vuelven lo suficientemente grandes como para romper las fuerzas que las mantienen unidas, y el sólido se funde.

Aun sin fundirse, las moléculas de alta energía de la superficie de un sólido pueden pasar a la fase gaseosa (este fenómeno se llama presión de vapor del sólido).

La rigidez del estado sólido sugiere que la energía cinética de las partículas constituyentes del sólido es tan pequeña que las fuerzas de atracción pueden mantenerlas en su lugar. La estructura de los sólidos se ha investigado exhaustivamente, y se ha demostrado que éstos pueden estar formados por un conjunto de partículas dispuestas en forma irregular y desordenada por lo que se les denomina amorfos (del griego, sin forma). También pueden estar formados por partículas que tienen un arreglo interno y regular, y se les llama cristalinos (del griego, hielo, claro).

Al arreglo regular, geométrico y ordenado de las partículas en los sólidos se le llama red cristalina o retículo cristalino. Una red cristalina es un conjunto tridimensional de átomos, moléculas o iones que forman modelos geométricos ordenados.

Dichos modelos son una representación de la realidad, en este caso nos permiten entender las propiedades de los sólidos, líquidos y gases.

1.4.4 APLICACIÓN DEL MODELO


El modelo del estado líquido es una ampliación del modelo del estado gaseoso. La diferencia consiste en que en el estado líquido las moléculas que lo componen están mucho más juntas y unidas por fuerzas de atracción.

Estas fuerzas no son lo suficientemente intensas para mantener a las moléculas formando una red rígida, pero sí hay un cierto grado de agregación , como lo muestra el hecho de que un líquido no llena el recipiente que lo contiene. Las moléculas de un líquido tienen movimiento desordenado, aunque éste es más restringido que un gas. Al tener menos espacio entre ellas, están en contacto más estrecho y los choques son más frecuentes que en un gas.

Lo mismo que en los gases, las moléculas de los líquidos tienen energía cinética relacionada con la temperatura. Si una molécula tiene alta energía cinética y está cerca de la superficie del líquido, puede escapar de éste e integrarse en la atmósfera que la rodea, lo que explica la presión de vapor de los líquidos. El proceso mediante el cual las moléculas de un líquido se incorporan al estado gaseoso se llama evaporación.

Algunas moléculas de la superficie de un líquido tienen mayor energía cinética (velocidad) que otras y su elevada energía cinética les permite separarse de ellas y evaporarse. Si la evaporación tiene lugar en un recipiente cerrado, las moléculas que permanecen cerca de la superficie son captadas por el líquido y se condensan, por lo que rápidamente se establece un equilibrio.

La rapidez de salida de las moléculas del líquido es igual a la velocidad de entrada; la presión ejercida por las moléculas del vapor sobre la superficie del líquido se llama presión de vapor, la cual es una característica de cada líquido y varía con la temperatura. Así, pues, la presión de vapor de un líquido es un indicador de la facilidad de volatilización, es decir, a mayor presión de vapor que tenga un líquido más fácilmente formará vapores.

Si a un líquido se le aplica calor, la energía cinética promedio aumenta y, por lo tanto, la temperatura y la velocidad de evaporación. Cuando se calienta un vaso con líquido, se comienzan a formar pequeñas burbujas de vapor, el cual se eleva y sale del líquido. Dicho proceso se llama ebullición; éste, aunque parecido a la evaporación, no debe confundirse.

Cuando las moléculas se evaporan de un líquido se difunden en la atmósfera que les rodea y, por lo tanto, la presión de la atmósfera no afecta al proceso de evaporación. Por otro lado, si el líquido hierve, el vapor escapa del líquido con presión suficiente para desplazar la atmósfera que rodea al líquido. De tal modo, la temperatura que por la presión de vapor del líquido es igual a la presión de la atmósfera que la rodea se llama

punto de ebullición.

La tensión superficial se debe a las fuerzas de atracción intermoleculares. Una molécula que esté en el centro del líquido es atraída en todas direcciones por las moléculas vecinas, mientras que las que están en la superficie sólo son atraídas al interior del líquido, por lo que el área de la superficie libre tiende a reducirse y una fuerza resultante hacia el interior tiene la tendencia a disminuir su volumen. Es el caso de la forma esférica de las gotas de un líquido. La tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura, puesto que el mayor movimiento molecular disminuye el efecto de las fuerzas de atracción intermolecular.

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

Para poder explicar los tres estados de agregación se debe partir de un diagrama de fases por medio del cual se puedan explicar los fenómenos que ocurren en tu entorno y así comprender el proceso que se lleva a cabo entre cada evento, para ello podemos recurrir al Modelo Cinético Molecular el cual nos va a dar una explicación del comportamiento de los fenómenos y las variables que participan ante cada evento.

1.4.3 MODELO CINÉTICO MOLECULAR


Éstas y otras observaciones experimentales condujeron a los científicos a proponer un modelo para explicar el comportamiento de los gases, el llamado modelo cinético molecular (algunos autores lo llaman teoría cinética molecular), el cual fue emergiendo gradualmente por los trabajos de Daniel Bernoulli (1700-1782) y posteriormente de los de James Clark Maxwell (1831-1879) y Ludwing Boltzmann (1844-1906).

El modelo cinético molecular apoya en los siguientes postulados.

  1. Un gas está compuesto de un gran número de partículas llamadas moléculas (en latín, pequeñas masas) tan minúsculas que su tamaño es despreciable comparado con la distancia entre ellas y el tamaño del recipiente.
    1. Las moléculas de un gas presentan un movimiento rectilíneo rápido constante y al azar. A causa de su movimiento de traslación, las moléculas chocan entre sí frecuentemente y contra las paredes del recipiente.
    2. Todos los choques son elásticos, es decir, no hay pérdida ni ganancia neta de energía cinética molecular en cada choque. Aunque una molécula puede perder energía respecto de otra durante el choque, la energía total del par que choca permanece igual.
  2. A excepción del modelo de los choques, las moléculas de un gas son completamente independientes entre sí, no hay fuerza de atracción o repulsión entre ellas.
  3. Las partículas de cualquier muestra de gas tienen diferente energía promedio, es decir, algunas se estarán moviendo muy rápidamente y otras serán más lentas o inclusive estarán quietas, pero la energía cinética promedio es proporcional a la temperatura absoluta.

Las leyes de los gases pueden explicarse con dichos postulados. Por ejemplo, según la Ley de Boyle, de acuerdo con la teoría cinética molecular, la presión del gas es causada por los choques moleculares contra las paredes del recipiente; si se disminuye el volumen aumenta el número de moléculas por unidad de volumen y resulta una presión mayor, debido a la gran cantidad de choques por unidad de tiempo y de área.

La ley de Charles relaciona las propiedades con los cambios de temperatura. A muy baja temperatura, el promedio de la energía cinética de las moléculas es prácticamente cero. A medida que aumenta la temperatura las moléculas se mueven más rápidamente al hacerse más frecuentes los choques contra las paredes del recipiente, si el volumen se mantiene constante. Por otro lado, si el volumen y la temperatura aumentan, la presión se mantendrá constante, debido a que la disminución de la frecuencia de los choques como consecuencia del aumento del volumen se compensa con el aumento en la velocidad de las moléculas, resultado del aumento de

1.4.2 HACIA EL MODELO CINÉTICO MOLECULAR


La observación y la experimentación son nuestra fuente de conocimiento del mundo que nos rodea. Mediante la acumulación de datos y su análisis se buscan regularidades de comportamiento, como en el caso de las leyes de los gases.

Encontrar una ley no nos explica por qué ocurre esa regularidad en la Naturaleza. Simplemente nos indica que existe, pero no por qué ocurre; la ciencia va más allá y se pregunta entonces cuál es la razón de que se cumpla esa ley. Para responder, los científicos construyen modelos y teorías.

Un modelo es una representación de la realidad. Es una hipótesis que se plantea para ver si el objeto modelo se comporta similarmente al objeto real. Si así ocurre, decimos que el fenómeno real se comporta como si fuera similar al objeto modelo y entonces contamos con una explicación más aceptable y profunda del comportamiento de la realidad.

En el caso que nos ocupa, imaginar (plantear la hipótesis) que toda la materia está compuesta de pequeñas partículas que interactúan (o no), y que se mueven continuamente, nos permite entender las propiedades de los gases, líquidos y sólidos. Entonces, tenemos una explicación más profunda de la realidad. Sabemos que las leyes no suceden, porque “así tienen que suceder”, sino porque las partículas de la materia se comportan de cierta manera que lo explica.

Si se considera el proceso de inflar un globo, en el cual se está introduciendo más gas al mismo, ¿por qué se agranda el globo? Una forma de tratar de obtener respuestas es examinar cuidadosamente el proceso, anotar nuestras observaciones y buscar regularidades. Otra manera es buscar un comportamiento semejante el cual podamos comprender mejor, es decir, tratar de hallar un modelo que nos ayude a encontrar una explicación a nuestro problema que representa el comportamiento del gas dentro del globo.

Cuadro 1

Observación 1 Explicación 1
Una muestra de gas que llena uniformemente un recipiente cerrado. Si el recipiente es poroso el gas se escapa a través de poros que no pueden verse sino por medio del microscopio. Los gases están constituidos por partículas submicroscópicas llamadas moléculas, las cuales tienen un movimiento rápido y desordenado. Una molécula se mueve en línea recta hasta que choca con otra o con las paredes del recipiente. Debido a su tamaño, si el recipiente es poroso puede atravesar sus paredes.

Todos conocemos esas pelotas de goma elástica muy dura que al caer al suelo saltan, alcanzando casi la altura desde la cual cayeron; si se arroja una contra una pared en una habitación pequeña, rebotará de pared a pared, perdiendo gradualmente su impulso hasta detenerse. Un conjunto de estas pelotitas puede resultar un buen modelo para el gas del globo.

Se puede suponer que el aire o cualquier otro gas está formado por pequeñísimas pelotitas moviéndose en todas direcciones y rebotando en las paredes del recipiente. Cuando la “pelota” choca contra la pared aquélla lo empuja a ésta, pero la pared empuja a la pelota con una fuerza igual, de manera que la pelota sale de la pared rebotando en la otra dirección.

Cuadro 2.

Observación 2 Explicación 2
Una muestra de una sustancia ocupa mayor volumen como gas que como líquido. Las moléculas de un gas casi no interactúan unas con otras y están muy separadas entre sí a temperatura y presión ordinarias. En cambio en los líquidos sí existe una interacción evidente y se agrupan unas muy cerca de otras.

Al igual que el aumento de volumen de un globo que se infla, y a partir de la suposición de que los gases están constituidos por pequeñas partículas, pueden explicarse las “llamadas leyes de los gases”. Los científicos que los investigaron desarrollaron un modelo bastante razonable de la estructura fundamental de los gases.

Cuadro 3

Observación 3 Explicación 3
Un gas ejerce una presión uniforme sobre todas las paredes de un recipiente cerrado. Las moléculas móviles chocan contra las paredes del recipiente en forma desordenada. La presión del gas es la suma de los millones de choques producidos por las moléculas sobre la unidad del área.