Propiedades de los líquidos y del agua
En el Canal de Panamá, un buque cruza las esclusas flotando sobre agua que no se comprime ni se escapa. Una gota de lluvia en una hoja se vuelve una esfera, y la miel de un frasco apenas fluye. ¿Qué tienen en común todos estos comportamientos? Todos dependen de las fuerzas entre las moléculas del líquido, y en este apartado vas a aprender a explicarlos.
Un líquido a nivel molecular
En un líquido las partículas están muy juntas, como en un sólido, pero tienen energía suficiente para deslizarse unas sobre otras, como en un gas. Por eso un líquido tiene volumen fijo pero adopta la forma del recipiente, y casi no se comprime.
Todo lo que veremos depende de dos tipos de fuerzas:
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Cohesión: atracción entre moléculas del mismo líquido.
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Adhesión: atracción entre las moléculas del líquido y las de otra sustancia (el vidrio, una hoja, una pared).
Las fuerzas intermoleculares son de tres clases principales: dispersión de London (todas las moléculas, más fuertes cuanto mayor es la molécula), dipolo-dipolo (moléculas polares) y puentes de hidrógeno (H unido a F, O o N, atraído por un par de electrones de otra molécula). Los líquidos polares (agua, etanol) se atraen con fuerza; los no polares (hexano, aceite) solo por dispersión de London.
Viscosidad
La miel fluye más lento que el agua porque sus moléculas (azúcares con muchos grupos –OH) forman muchos puentes de hidrógeno y se estorban al deslizar. Por tanto, la miel tiene mayor viscosidad que el agua.
La viscosidad disminuye al calentar: con más energía cinética, las moléculas vencen más fácil las atracciones. Por eso el aceite caliente corre más rápido que el frío.
Yariela observa que la miel se derrama mucho más lentamente que el agua cuando inclina los frascos. Define qué es la viscosidad y nombra cuál de los dos líquidos, la…
Yariela observa que la miel se derrama mucho más lentamente que el agua cuando inclina los frascos. Define qué es la viscosidad y nombra cuál de los dos líquidos, la miel o el agua, tiene mayor viscosidad.
Tensión superficial y capilaridad
Una molécula del interior está atraída por todos lados y la fuerza neta es cero. Una de la superficie no tiene vecinas arriba, así que es jalada hacia dentro. El líquido tiende a tener la menor superficie posible: por eso las gotas son esféricas y el agua puede formar una curva sobre el borde de un vaso lleno.
Un detergente (tensoactivo) tiene un extremo polar y otro no polar; se coloca entre las moléculas de agua, debilita su cohesión y reduce la tensión superficial. Así el agua moja mejor y penetra en la tela.
Capilaridad
Si metes un tubo de vidrio muy delgado en agua, el líquido sube por encima del nivel exterior. Es la capilaridad.
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La adhesión agua-vidrio es mayor que la cohesión del agua: el agua «trepa» por la pared y se curva hacia arriba (menisco cóncavo).
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La cohesión arrastra al resto del agua detrás.
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El ascenso continúa hasta que el peso de la columna equilibra la fuerza hacia arriba.
En un tubo más delgado, la columna es más liviana para la misma superficie de contacto, así que el agua sube más. Así suben el agua y los nutrientes por los tallos y raíces de las plantas.
Al llenar con cuidado un vaso con agua hasta el borde, Abdiel nota que el líquido forma una pequeña curva por encima del borde sin derramarse. Indica qué propiedad de…
Al llenar con cuidado un vaso con agua hasta el borde, Abdiel nota que el líquido forma una pequeña curva por encima del borde sin derramarse. Indica qué propiedad de los líquidos se pone de manifiesto en esta observación y escribe una definición breve de ella.
Itzel sumerge el extremo de un tubo de vidrio muy delgado en agua y observa que el agua sube por el tubo por encima del nivel del vaso. Después repite el experimento con…
Itzel sumerge el extremo de un tubo de vidrio muy delgado en agua y observa que el agua sube por el tubo por encima del nivel del vaso. Después repite el experimento con un tubo más ancho y el agua sube menos.
- a) Nombra el fenómeno observado.
- b) Explica, usando las fuerzas de cohesión y de adhesión, por qué el agua asciende en el tubo de vidrio.
- c) Justifica por qué el ascenso es mayor en el tubo más delgado.
Durante la época lluviosa, un estudiante de Boquete observa que una gota de agua sobre una hoja encerada de una planta forma una esfera casi perfecta, mientras que sobre…
Durante la época lluviosa, un estudiante de Boquete observa que una gota de agua sobre una hoja encerada de una planta forma una esfera casi perfecta, mientras que sobre una hoja de papel absorbente se extiende rápidamente.
- a) Relaciona la forma esférica de la gota con la tensión superficial, describiendo qué ocurre con las moléculas de la superficie y con las del interior del líquido.
- b) Compara las fuerzas de adhesión y de cohesión en los dos casos para explicar la diferencia de comportamiento.
- c) Propón una explicación de por qué añadir detergente al agua reduce la tensión superficial y cambia la forma de la gota.
Presión de vapor y volatilidad
Las moléculas de la superficie con energía suficiente escapan al aire: es la evaporación. En un recipiente cerrado, las moléculas de vapor también regresan al líquido. Cuando ambas velocidades se igualan hay equilibrio dinámico.
Un líquido es volátil si se evapora con facilidad, es decir, tiene presión de vapor alta a temperatura ambiente. Esto ocurre cuando las fuerzas intermoleculares son débiles.
Hay relación inversa con el punto de ebullición: el líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión externa. Más atracción → menos presión de vapor → mayor punto de ebullición.
Un mismo volumen de agua se coloca en dos recipientes abiertos y se deja en un lugar fresco. Menciona qué es la presión de vapor de un líquido y explica con una frase…
Un mismo volumen de agua se coloca en dos recipientes abiertos y se deja en un lugar fresco. Menciona qué es la presión de vapor de un líquido y explica con una frase qué significa que un líquido sea «volátil».
En una tabla de un laboratorio escolar se registran los siguientes datos a 25 °C: | Líquido | Fuerza intermolecular principal | Punto de ebullición (°C) | |---|---|---|…
En una tabla de un laboratorio escolar se registran los siguientes datos a 25 °C:
| Líquido | Fuerza intermolecular principal | Punto de ebullición (°C) |
|---|---|---|
| Hexano, $\text{C}_6\text{H}_{14}$ | Dispersión de London | 69 |
| Etanol, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ | Puentes de hidrógeno | 78 |
| Agua, $\text{H}_2\text{O}$ | Puentes de hidrógeno | 100 |
- a) Ordena los tres líquidos de menor a mayor presión de vapor a 25 °C.
- b) Explica tu orden relacionando la presión de vapor con la intensidad de las fuerzas intermoleculares.
El agua, un líquido especial
Cada molécula de agua es polar y puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno. De ahí salen propiedades poco comunes:
| Propiedad | Explicación | Importancia |
|---|---|---|
| Punto de ebullición alto (100 °C) | Muchos puentes de H | Hay agua líquida en el planeta |
| Calor específico alto, 4.18 J/(g·°C) | Parte de la energía rompe puentes en vez de subir la temperatura | Modera el clima y la temperatura de los seres vivos |
| Hielo menos denso que el líquido | Red abierta y ordenada de puentes de H | El hielo flota |
| Disolvente universal | Su polaridad separa iones y disuelve sustancias polares | Transporte en la sangre, la célula y la industria |
Calor específico
Se usa $q = m \cdot c \cdot \Delta T$.
El hielo flota
Al congelarse, cada molécula forma cuatro puentes de H en una red hexagonal con huecos. Es más espaciada que en el líquido, donde las moléculas están más desordenadas y más juntas. Por eso el hielo es menos denso (≈ 0.92 g/mL frente a 1.00 g/mL).
Luis Carlos lee que el agua tiene un calor específico alto, de aproximadamente $4.18\ \text{J/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Una masa de 200 g de agua y una masa de 200 g…
Luis Carlos lee que el agua tiene un calor específico alto, de aproximadamente $4.18\ \text{J/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$. Una masa de 200 g de agua y una masa de 200 g de un aceite, con calor específico cercano a $2.0\ \text{J/(g}\cdot{}^\circ\text{C)}$, reciben la misma cantidad de calor.
- a) Calcula cuánta energía necesita cada líquido para aumentar su temperatura en 5 °C.
- b) Indica cuál se calienta más con la misma energía y explica qué relación tiene esto con el hecho de que el agua de mar modere la temperatura de las costas de Panamá.
En un lago de montaña, en invierno, la superficie se congela mientras que el agua del fondo permanece líquida. Esto permite que los peces sobrevivan. Un compañero de…
En un lago de montaña, en invierno, la superficie se congela mientras que el agua del fondo permanece líquida. Esto permite que los peces sobrevivan. Un compañero de clase afirma: «Si el hielo fuera más denso que el agua líquida, para los ecosistemas acuáticos no habría ninguna diferencia».
- a) Explica, a nivel molecular, por qué el hielo es menos denso que el agua líquida, mencionando los puentes de hidrógeno.
- b) Argumenta si el compañero tiene razón, describiendo qué ocurriría con un lago si el hielo se hundiera.
- c) Relaciona el alto calor específico del agua con la estabilidad térmica de los océanos y de los manglares de los dos litorales panameños, y señala una consecuencia para los organismos que viven en ellos.
Resumen
Vuelve al principio: la gota esférica, la miel lenta y el agua del Canal se explican con cohesión, adhesión y puentes de hidrógeno.