11.1: Comparación Molecular de Gases, Líquidos y Sólidos

Las partículas en un sólido se encuentran estrechamente empaquetadas (forma fija) y a menudo se organizan en un patrón regular; en un líquido, se encuentran cercanas unas de otras sin una disposición regular (sin forma fija); en un gas, están muy separadas sin disposición regular (sin forma fija). Las partículas en un sólido vibran sobre posiciones fijas (no pueden fluir) y generalmente no se mueven en relación con las demás; en un líquido, se mueven unas a otras (pueden fluir) pero permanecen en un contacto esencialmente constante; en un gas, se mueven independientemente de las demás (pueden fluir y expandirse) excepto cuando colisionan.

Las diferencias en las propiedades de un sólido, líquido o gas reflejan las fuerzas de atracción entre los átomos, moléculas o iones que componen cada fase. La fase en la que existe una sustancia depende de las extensiones relativas de sus fuerzas intermoleculares (FIMs) - fuerzas de atracción electrostática existentes entre los átomos y moléculas de una sustancia - y las energías cinéticas (EC) de sus moléculas. Mientras que los EIM sirven para mantener las partículas unidas estrechamente, la EC de las partículas proporciona la energía necesaria para superar la atracción y así aumentar la distancia entre las partículas. Por ejemplo, en un líquido, las fuerzas de atracción intermolecular mantienen las moléculas en contacto, aunque todavía tienen una EC suficiente para moverse entre sí. Debido a esto, los líquidos fluyen y toman la forma de su recipiente.

Según la teoría cinético-molecular (TCM), la temperatura de una sustancia es proporcional a la EC media de sus partículas. El cambio de la energía cinética media (temperatura) induce cambios en el estado físico junto con cambios asociados en las fuerzas intermoleculares. Por ejemplo, cuando el agua gaseosa se enfría lo suficiente, o se reduce la energía cinética media de las moléculas, la mayor atracción entre moléculas de H₂O será capaz de mantenerlas juntas cuando entren en contacto entre sí; el gas se condensa, formando H₂O líquida.   Cuando el H₂O líquida se enfría aún más, las fuerzas de atracción se hacen más fuertes y el agua se congela para formar hielo sólido.

En los casos en que las temperaturas no sean demasiado altas, los gases pueden licuarse por compresión (alta presión). Los gases presentan fuerzas de atracción muy débiles debido a las cuales las partículas se separan a grandes distancias. El aumento de la presión acerca las moléculas de un gas, de modo que la atracción entre las moléculas se vuelve más fuerte en relación con su EC. En consecuencia, forman líquidos. El butano, C₄H₁₀, es el combustible utilizado en encendedores desechables y es un gas a temperatura y presión estándar. Dentro del compartimento de combustible del encendedor, el butano se comprime a una presión que provoca su condensación en el estado líquido. Además, si la temperatura de un líquido es lo suficientemente baja o la presión sobre el líquido es lo suficientemente alta, las moléculas del líquido ya no tienen EC suficiente para superar las FIM entre ellas y se forma un sólido.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Capítulo 10: Líquidos y sólidos.

Toda la materia está compuesta por una gran cantidad de moléculas que se desplazan en un movimiento aleatorio constante. Incluso en el hielo y los metales, los átomos aún se mueven. Hay tres estados diferentes de la materia:sólido, líquido y gaseoso.

En todos estos estados, las moléculas, los átomos o los iones están en movimiento con una determinada cantidad de energía cinética, que determina el estado de la materia. En estado gaseoso, las moléculas tienen una alta energía cinética. Las moléculas de alta energía se mueven rápidamente unas tras las otras y están muy separadas, lo que dificulta que se crucen con frecuencia.

Como resultado, las fuerzas de atracción en los gases son débiles. Con esta fuerza de atracción insignificante, los gases no tienen un volumen o forma definidos y se expanden libremente para llenar todo el volumen de su recipiente. Con mucho espacio alrededor de las moléculas, los gases tienen bajas densidades, lo que los hace fáciles de comprimir.

Cuando los gases se comprimen o enfrían, su energía cinética se reduce y, en consecuencia, las moléculas se ralentizan. Las moléculas se mueven unas tras las otras con más frecuencia, acercándose. Esto aumenta la cantidad de fuerzas intermoleculares y transforma el gas en un estado líquido.

Las moléculas dentro de los líquidos están unidas por fuerzas de atracción más fuertes que dejan poco espacio a su alrededor. Por lo tanto, los líquidos son más densos que los gases, lo que dificulta su compresión. Un líquido también tiene un volumen definido y asume la forma del recipiente.

A pesar de las fuerzas de atracción más fuertes, las moléculas de los líquidos aún pueden moverse libremente entre sí, por lo que los líquidos pueden fluir o verterse. Cuando los líquidos se enfrían aún más, la energía cinética se reduce a un punto en el que las partículas casi dejan de moverse debido a las fuertes fuerzas intermoleculares y solo pueden vibrar en su posición fija. En este punto, las moléculas se transforman en un estado de conformación tridimensional llamado sólido.

En cualquier sólido, las moléculas están densamente comprimidas, dejando casi ningún espacio vacío a su alrededor. Por lo tanto, los sólidos son incompresibles y tienen un volumen y una forma definidos.