La teoría cinética molecular: propiedades de sólidos y líquidos

Teoría cinética molecular

Toma un vaso de agua. Deje caer unas gotas de colorante rojo para alimentos. ¿Lo que pasa? Las gotas de colorante alimentario rojo deben bajar lentamente por el vaso de agua, extenderse y finalmente teñir toda el agua de un color rojizo. ¿Por qué pasó esto? Sucede porque ambas sustancias están formadas por moléculas que se mueven constantemente. Estas moléculas tienen energía; uno de los principios fundamentales de la teoría cinética molecular.

La Teoría Molecular Cinética (KMT) es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia. Se basa en una serie de postulados.

Algunos de los postulados de KMT son los siguientes:

• La materia está formada por partículas que están en constante movimiento. Esta energía en movimiento se llama energía cinética .
• La cantidad de energía cinética de una sustancia está relacionada con su temperatura.
• Hay espacio entre las partículas. La cantidad de espacio entre las partículas está relacionada con el estado de la materia de la sustancia.
• Los cambios de fase ocurren cuando la temperatura de la sustancia cambia lo suficiente.
• Hay fuerzas de atracción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares . La fuerza de estas fuerzas aumenta a medida que las partículas se acercan.

En esta lección, nos centraremos en cómo se puede utilizar KMT para explicar las propiedades de líquidos y sólidos.

KMT y propiedades del líquido

Mira estas dos imágenes de agua líquida:

Agua en piscina y a nivel molecular

Una es una foto de agua en una piscina; el otro es de agua líquida a nivel molecular. ¿Qué propiedades de los líquidos son evidentes en estas dos imágenes?

Una de las propiedades más notables de los líquidos es que son fluidos y pueden fluir. Los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida. Se dice que los líquidos tienen baja compresibilidad; en otras palabras, es difícil agrupar las partículas líquidas más juntas. En comparación con los gases, hay relativamente poco espacio entre las partículas. Sin embargo, en comparación con los sólidos, los líquidos tienen cierto espacio entre las partículas. Esto, junto con el hecho de que las partículas líquidas también tienen relativamente más energía que las partículas sólidas, es lo que permite que fluyan los líquidos. A nivel molecular, estos dos factores dan a los líquidos la apariencia de estar desorganizados.

Los tipos de fuerzas intermoleculares en un líquido dependen de la composición química del propio líquido. La fuerza de la fuerza intermolecular está relacionada con el tipo de fuerza intermolecular, pero también se ve afectada por la cantidad de energía cinética en la sustancia. Cuanto más energía cinética, más débiles son las fuerzas intermoleculares. Los líquidos tienen más energía cinética que los sólidos, por lo que las fuerzas intermoleculares entre las partículas líquidas tienden a ser más débiles. Discutiremos los tipos de fuerzas intermoleculares más adelante.

KMT y sólidos

Ahora, echemos un vistazo a algunos sólidos:

Cristales de pirita y estructura molecular de trióxido de fósforo.

Una de estas imágenes es de cristales de pirita en su forma cúbica natural; el otro es la estructura del trióxido de fósforo a escala molecular. ¿Qué propiedades de los sólidos notas?

Las sustancias sólidas tienen formas y volúmenes definidos. Las partículas sólidas se mueven, ¡pero no muy lejos! Las partículas sólidas tienen relativamente poca energía cinética y vibran en su lugar. Debido a esto, no pueden fluir como líquidos. La mayoría de los sólidos están dispuestos en una estructura cristalina compacta. La estructura cristalina es una disposición ordenada y repetida de partículas llamada red cristalina. La forma del cristal muestra la disposición de las partículas en el sólido.

Algunos sólidos no tienen forma cristalina. Los que no lo son se llaman sólidos amorfos. Los sólidos amorfos no tienen estructuras internas ordenadas. Los ejemplos de sólidos amorfos incluyen caucho, plástico y vidrio. La cera también es un sólido amorfo. Se puede moldear en cualquier forma y remodelar en cualquier momento que se caliente un poco.

Fuerzas intermoleculares

Como se señaló anteriormente, las fuerzas intermoleculares son las fuerzas de atracción entre partículas. Son claramente diferentes de los enlaces que ocurren dentro de las partículas. El tipo de fuerzas intermoleculares presentes depende del tipo de partículas presentes.

Los enlaces de hidrógeno se producen entre moléculas polares que contienen un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor unido covalentemente a un átomo de hidrógeno. La atracción intermolecular ocurre entre el oxígeno, flúor o nitrógeno parcialmente cargado negativamente y el hidrógeno parcialmente cargado positivamente de una molécula vecina. Los enlaces de hidrógeno son fuerzas intermoleculares relativamente fuertes.

Las fuerzas ion-dipolo se producen entre un ion y una molécula polar. Un ion formará una atracción con un polo con carga opuesta de una molécula vecina. El agua salada está cargada de atracciones ion-dipolo. Los iones de sodio positivos son atraídos por los polos negativos de las moléculas de agua. Los iones de cloruro cargados negativamente son atraídos por los polos positivos de las moléculas de agua.

Las fuerzas dipolo-dipolo se producen entre los polos cargados de forma opuesta de las moléculas polares.

Las fuerzas dipolares inducidas por dipolos ocurren cuando una molécula polar induce un momento dipolar temporal en una molécula no polar vecina. Quizás te estés preguntando, ¿qué? ¿Cómo puede una molécula no polar obtener un momento dipolar? Los electrones cargados negativamente que zumban alrededor de un átomo o molécula son móviles y polarizables. Si una partícula cargada negativamente se acerca a un grupo de electrones, será repelida por ella y se alejará lo más posible. Ahora, imagine que el polo negativo de una molécula se acerca a una molécula no polar. Los electrones se mueven hacia el lado opuesto al polo negativo entrante. Ahora tenemos un lado que es más negativo y un lado que es más positivo: ¡es un dipolo inducido! Estas fuerzas intermoleculares son relativamente débiles.

Las Fuerzas de Dispersión de Londres (LDF) son el tipo más débil de fuerza intermolecular. Los LDF ocurren entre moléculas no polares cuando el movimiento aleatorio de electrones alrededor de una molécula crea un dipolo temporal que induce un dipolo temporal en una molécula vecina.

Cambios de fase

La cantidad de energía cinética en una sustancia está relacionada con su fase. Los gases tienen más energía cinética que los líquidos. Los líquidos tienen más energía cinética que los sólidos. Cuando una sustancia aumenta de temperatura, se agrega calor y sus partículas obtienen energía cinética.

Debido a su proximidad entre sí, las partículas sólidas y líquidas experimentan fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas mantienen las partículas juntas. Cuanto más energía cinética tienen las partículas, más débiles se vuelven estas fuerzas. A ciertas temperaturas, las partículas superan suficientes fuerzas intermoleculares para experimentar un cambio significativo en las propiedades. En este punto, se produce un cambio de fase. Existen temperaturas específicas para cada sustancia que coinciden con la cantidad de energía cinética necesaria para que las partículas tengan propiedades características de líquido, sólido o gas.

Resumen de la lección

Revisemos.

La Teoría Molecular Cinética (KMT) es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia.

Las propiedades de los líquidos incluyen:

• Volumen definido pero forma indefinida
• Relativamente incompresible
• Las partículas tienen más energía que los sólidos, pero menos energía que los gases
• Los líquidos pueden fluir

Las propiedades de los sólidos incluyen:

• Forma y volumen definidos
• Muy incompresible
• Las partículas tienen relativamente poca energía
• Las partículas sólidas vibran en su lugar
• Los sólidos suelen tener estructuras cristalinas

Las fuerzas intermoleculares (IMF) son las fuerzas de atracción entre partículas. El tipo de IMF presente depende de la composición química de la sustancia.

Los cambios de fase ocurren cuando las partículas experimentan un cambio significativo de temperatura. La temperatura mide la cantidad de energía cinética de una sustancia. La energía cinética de una sustancia está relacionada con su fase.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado con esta lección, podrá:

• Describe la teoría cinética molecular
• Identificar las propiedades de sólidos y gases.
• Recuerde los tipos de fuerzas intermoleculares.
• Explica cómo ocurren los cambios de fase.