Descripción cinético molecular

 

Descripción cinético molecular de un sólido.

De los tres estados físicos, el estado sólido es el que se caracteriza por una mayor atracción entre las moléculas. Es decir es un estado en el cual la fuerza de cohesión es mayor que la fuerza de repulsión, como consecuencia los espacios intermoleculares son mínimos.

Cada molécula, posee energía cinética suficiente como para vibrar alrededor de una posición de equilibrio; pero esa energía, no le permite a la molécula desplazarse de esa posición. La libertad de movimiento molecular, es muy restringida.

Si suponemos un sólido, cuyas moléculas se encuentran ordenadas en el espacio, es decir un cristal y suponemos que ese cristal pertenece al sistema cúbico, podemos representar el sólido en cuestión de acuerdo el siguiente esquema,

 Cada molécula tiene una posición fija el espacio y por lo tanto no podrá variar ni la forma ni el volumen del cuerpo. Alrededor de esa posición cada molécula vibra sin cesar.

 

 Descripción cinético molecular de un líquido.

 El estado líquido, se caracteriza por el equilibrio que se manifiesta entre la fuerza de cohesión y la fuerza de repulsión. Toda molécula de un líquido se encuentra, en el seno del mismo, dentro del campo de atracción de las moléculas vecinas. Los espacios intermoleculares, son mayores que en el estado sólido. El valor de la energía cinética de las moléculas de un líquido es tal, que no permite que una de ellas abandone el campo de tracción de las restantes; pero es lo suficientemente elevada, como para que las moléculas pueden desplazarse, cambiando constantemente de vecinas, esto se traduce en la práctica, en que el volumen del líquido no puede variar, porque ello implicaría una separación de las moléculas entre sí, pero la forma de un líquido no es propia del líquido sino que se la confiere el recipiente que lo contiene y que impide el desplazamiento de las moléculas, más allá de las paredes que limitan.

 

 Descripción cinético molecular de un gas.

 El estado gaseoso, es aquel en el cual la fuerza de repulsión, supera a la fuerza de cohesión. El valor de la energía cinética es tal, que permite a las moléculas del gas aumentar el espacio intermolecular sin otro límite que el de la pared recipiente que lo contiene.

 Así un gas, ocupa siempre todo el recipiente en que se lo coloque y por lo tanto, un cuerpo gaseoso no posee ni forma ni volumen propio.

 Las propiedades de las sustancias, residen entre sus moléculas. Por lo tanto, si un frasco que contenga gas amoniaco, se destapa en un lugar de un habitación y luego puede percibirse el olor característico del amoniaco en cualquier en cualquier parte de dicha habitación, tendremos que decir que las moléculas del amoniaco, se han escapado del frasco en virtud de su energía cinética y que el amoniaco ocupa hora toda la habitación. Ha aumentado extraordinariamente el espacio intermolecular. Si queremos eliminar el amoniaco del ambiente, se abrirán ventanas y puertas, con lo cual las moléculas del gas continuarán separándose.

 

Cambios de estado.

 El estado de agregación, no es una característica de una sustancia, es decir, una misma sustancia puede encontrarse en cualquier de los tres estados físicos. Podemos tener vapor de agua, agua líquida, agua sólida.

 Las moléculas de agua serán siempre iguales desde el punto de vista de su constitución; se diferencian en el valor de su energía cinética.

 Por lo tanto diremos que una sustancia puede cambiar de estado, si se logra variar la energía cinética de sus moléculas. Hemos dicho que la energía cinética depende de la temperatura del sistema, por lo tanto aumentando o disminuyendo la temperatura podrá lograrse el cambio de estado.

Si un sólido se calienta lo primero que se observa es un aumento de su volumen sin cambio de forma, desde el punto de vista cinético esto es explicado diciendo que el ámbito de vibración, de cada molécula alrededor de su posición de equilibrio, aumenta. Si el sólido sigue calentándose llega un momento en que la las aristas se redondean y el sólido comienza perder su característica de tal, para transformarse en un líquido. Esto sucede cuando el aumento de temperatura ha producido un aumento de energía cinética que permite a las moléculas desplazarte de su posición de equilibrio, decimos que el sólido funde, se llama fusión el cambio de estado sólido al estado líquido.

 El cambio inverso, es decir el cambio del estado líquido al estado sólido, se produce por enfriamiento y recibe el nombre de solidificación. Un sólido puede, en algunos casos pasar directamente al estado gaseoso, este cambio de estado recibe el nombre de volatilización. El cambio inverso, o sea el pasaje directo del estado gaseoso al estado sólido recibe el nombre de sublimación. Algunos autores llaman al cambio completo de gas a sólido y de sólido a gas, sublimación.

 No cualquier sólidos volatiliza y luego sublima, un ejemplo común es el de la naftalina, también puede citarse el caso del yodo.

 Si cualquiera de estas sustancias se calienta en una cápsula de porcelana, podrá verse que emite vapores, sin que se forme un líquido. Si estos vapores se interceptan en su trayectoria con la pared fría, de un embudo de vidrio invertido podrá verse sobre las mismas la formación de un sólido.

 Una sustancia que se encuentran al estado líquido y se calienta, puede pasar estado gaseoso. Se dice qué el líquido se vaporiza o que se produce la vaporización. Este cambio de estado puede producirse de dos formas diferentes, 1) por moléculas que escapan de la superficie libre,  en cuyo caso diremos qué líquido se evapora. Es decir qué el cambio de estado líquido o gaseoso a través de la superficie libre recibe el nombre de evaporación.

 Esto se explica desde el punto de vista cinético, teniendo en cuenta que las moléculas que se encuentran en la superficie libre del líquido, sólo tienen una hemiesfera de atracción. Por lo tanto su energía cinética aumenta, fácilmente pueden vencer esas fuerzas de atracción.

 2) por moléculas que escapan de todo el seno de la masa líquida, en cuyo caso diremos qué líquido hierve. En este caso el cambio de estado recibe el nombre de ebullición. La ebullición de un líquido se produce cuando el aumento de temperatura produce un aumento de energía cinética tal, que todas las moléculas pueden escapar del campo de atracción de sus vecinas. En el seno de la masa líquida se forman burbujas de vapor que atraviesan el líquido y escapan del recipiente.

 Esto produce la turbulencia característica de los líquidos en ebullición. El cambio inverso, es decir el pasaje del estado gaseoso al estado líquido recibe el nombre de licuación o liquefacción. Podemos resumir en un cuadro los cambios de estado posibles.

 

Leyes de los cambios de estado.

 Los distintos cambios estado se realizan cumpliendo leyes físicas que reciben el nombre de leyes de los cambios de estado. Estudiaremos en particular las leyes de fusión y las leyes ebullición. Si en un embudo colocamos hielo recién sacado de un refrigerador, tal que su temperatura sea por ejemplo 10º  grados bajo cero y lo colocamos sobre  sobre la mesa del laboratorio, el sistema captara calor del ambiente que lo rodea.

Podrá observarse que la temperatura comienza aumentar hasta que llega a cero grados. En ese momento el hielo comienza fundir. Por el vástago del embudo comenzará a gotear agua líquida. El ambiente continuara cediendo calor al sistema, el hielo continuará fundiendo, sin embargo la temperatura no aumentara.

En cualquier circunstancia que se repita esta sencilla experiencia, la temperatura a la cual él hielo comience  a fundir, será la misma. Cualquiera que sea la cantidad de hielo que se funda, la temperatura no variaría mientras la fusión se está produciendo.

Llamamos  punto de fusión  a la temperatura a la cual un sólido funde. La fusión se producen cumpliendo las leyes de fusión.

1) Ley de fusión: toda sustancia pura posee un punto de fusión qué le es propio.

2) Ley de fusión: la temperatura de fusión permanece constante durante todo el tiempo que dura el cambio de estado.

La ebullición de un líquido se reproduce cumpliendo leyes absolutamente similares. Pero hay un factor que influye en la temperatura de ebullición de un líquido y es la presión que se ejerce sobre la superficie

libre del líquido.

Llamamos punto de ebullición normal de un líquido a la temperatura a la cual hierve un liquido, cuando sobre él se ejerce una presión de una atmósfera. Si la presión externa se disminuye, la temperatura a la cual las moléculas puede salir del seno de la masa liquida será menor. Es decir que a menor presión , la temperatura de ebullición es menor. A mayor presión  la temperatura de ebullición es mayor.

Podemos enunciar las leyes del ebullición de la siguiente forma:

 1) Ley de ebullición: toda sustancia pura posee un punto de ebullición que le es propio, para cada valor

de la presión exterior.

 2) Ley de bullicion: La temperatura de ebullición, permanece constante durante todo el tiempo que dura el cambio de estado, siempre que no varíe la presión.

Dado que el punto de fusión y el punto de ebullición no dependen de la cantidad de sustancia en estudio, diremos que estas constantes físicas son ejemplos típicos de la propiedad intensivas. A su vez ,está propiedades intensivas podrán utilizarse como criterios de pureza en el estudio de sistemas homogéneos según hemos mencionado anteriormente.

Eduardo Ghershman, 16.3.2014

Referencias

Temas de química.

Galileo.

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