Qué necesitás traer
Seguimos con la misma herramienta: el puente de hidrógeno. Hoy explica tres cosas que no se parecen en nada entre sí, y eso es lo interesante de la clase.
Desarrollo
Leer la explicación
El hielo flota, y eso no es normal
Casi todas las sustancias se contraen al solidificarse: las partículas se acomodan más juntas y el sólido queda más denso que el líquido. Por eso un sólido, en general, se hunde en su propio líquido.
| Estado | Temperatura | Densidad |
|---|---|---|
| Hielo | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $0{,}92\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Agua líquida | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $1{,}00\ \mathrm{g/cm^3}$ |
| Agua líquida | $4\ \mathrm{^\circ C}$ | máxima densidad |
El hielo es menos denso que el agua, así que flota. La explicación está otra vez en los puentes: al congelarse, cada molécula se acomoda en la posición que le permite formar cuatro puentes a la vez, y esa red resulta más abierta que el amontonamiento desordenado del líquido. Hay más espacio vacío, así que la misma cantidad de moléculas ocupa más volumen.
Pista: el agua líquida alcanza su máxima densidad a $4\ \mathrm{^\circ C}$, no a $0$. Entre $4$ y $0$ ya se empieza a armar la red abierta.
Pensá antes de abrir: en un lago que se congela en invierno, ¿dónde se forma primero el hielo, y qué consecuencia tiene eso para los peces?
Ver una respuesta para comparar con la tuya
Se forma arriba, y se queda arriba porque flota. Esa capa de hielo aísla el agua de abajo, que se mantiene líquida y cerca de $4\ \mathrm{^\circ C}$. Los peces sobreviven ahí.
Si el hielo fuera más denso, como casi todos los sólidos, se hundiría; se formaría hielo nuevo en la superficie, se hundiría también, y el lago terminaría congelándose entero de abajo hacia arriba. La vida en los lagos de climas fríos depende de esta anomalía.
Tensión superficial: la piel del agua
Una molécula en el medio del líquido está rodeada de vecinas que la atraen por igual en todas las direcciones. Una molécula de la superficie no: arriba no tiene a nadie, así que todas las atracciones la tiran hacia adentro y hacia los costados.
El resultado es que la superficie se comporta como una membrana tensa. Eso es la tensión superficial.
- Por eso el agua forma gotas redondeadas en lugar de desparramarse: la esfera es la forma con menos superficie para un mismo volumen.
- Por eso un clip apoyado con cuidado no se hunde, aunque el metal sea mucho más denso: no está flotando por empuje, está apoyado sobre esa membrana.
- Por eso hay insectos que caminan sobre el agua.
El agua tiene la tensión superficial más alta de los líquidos comunes, salvo el mercurio. La causa, de nuevo, es el puente de hidrógeno.
Pista: un detergente rompe esa membrana. Eso lo vamos a usar en la clase 17, y es la razón por la que el detergente limpia.
Solvente universal
El agua disuelve más sustancias que cualquier otro líquido. No las disuelve todas, pero el apodo viene de ahí.
El mecanismo: la sal, $\mathrm{NaCl}$, es un cristal de iones $\mathrm{Na^+}$ y $\mathrm{Cl^-}$ pegados entre sí. Cuando entra al agua, el lado negativo de las moléculas de agua rodea a los $\mathrm{Na^+}$ y el lado positivo rodea a los $\mathrm{Cl^-}$. Al quedar envuelto por todos lados, cada ion se despega del cristal y se va flotando.
$$\mathrm{NaCl_{(s)}} \longrightarrow \mathrm{Na^+_{(ac)}} + \mathrm{Cl^-_{(ac)}}$$
De ahí sale la regla: lo semejante disuelve a lo semejante. El agua, que es polar, disuelve bien sustancias polares o con carga: sales, azúcar, alcohol. No disuelve bien el aceite, que no es polar, y por eso quedan en dos capas separadas.
Conducir la electricidad
El agua destilada, pura, casi no conduce la corriente. El agua de la canilla sí, y el agua de mar mucho más.
La diferencia no está en el agua: está en lo que trae disuelto. Para que haya corriente hacen falta partículas con carga que se puedan mover, y eso son los iones. Si no hay iones disueltos, no hay quién transporte la carga.
Es la razón por la que es peligroso tocar un artefacto eléctrico con las manos mojadas: el agua que tenés encima no es destilada, trae sales.
Temperaturas y punto crítico
| Magnitud | Valor | Qué significa |
|---|---|---|
| Punto de fusión | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | Temperatura a la que el hielo se vuelve líquido. |
| Punto de ebullición | $100\ \mathrm{^\circ C}$ | Temperatura a la que el líquido hierve. Altísimo para una molécula tan chica. |
| Punto crítico | $374\ \mathrm{^\circ C}$ y unas $218$ atmósferas | Más allá de ahí ya no se distinguen el líquido y el gas: son una sola fase. |
Los dos primeros valores dependen de la presión. Por eso en altura el agua hierve a menos de $100\ \mathrm{^\circ C}$ y la comida tarda más en cocinarse; y por eso una olla a presión cocina más rápido: adentro hay más presión, así que el agua hierve a más temperatura.
El punto crítico es el límite donde la distinción entre líquido y gas deja de tener sentido. Más allá de esa temperatura y esa presión, por mucho que comprimas, no vas a conseguir un líquido con su superficie: hay una sola fase.
Animación
Descripción de la animación
La animación abre con un vaso de agua y un cubito flotando, con la línea de flotación marcada, y el rótulo de que casi todos los sólidos se hunden en su propio líquido pero este no.
Después se mira el líquido por dentro: dieciséis moléculas de agua desordenadas, orientadas al azar y apretadas unas contra otras. El rótulo dice «líquido: desordenado y compacto».
Al lado aparece el sólido: las mismas moléculas acomodadas en una red regular, unidas por líneas de puntos que representan los puentes de hidrógeno. Al ordenarse quedan más separadas entre sí, y se señala que cada molécula se engancha con cuatro vecinas y que eso deja espacio vacío. El rótulo dice «sólido: ordenado y más abierto».
Sigue una comparación de volúmenes: dos cuadrados del mismo contenido pero distinto tamaño, el del hielo más grande, con las densidades escritas debajo: 1,00 gramo por centímetro cúbico para el agua líquida a 0 °C y 0,92 para el hielo. El rótulo concluye que la misma cantidad de moléculas ocupa más lugar, y por eso tiene menos densidad.
El final muestra un lago en corte: una capa de hielo arriba y agua líquida debajo, con un pez. Los rótulos explican que el hielo se forma arriba y se queda arriba, que debajo el agua se mantiene cerca de 4 °C, y que si fuera al revés el lago se congelaría de abajo hacia arriba.
Fuentes de la animación: densidades de tablas de constantes físicas. Esquema, no está a escala real. El color identifica al elemento; no es una propiedad de la partícula.
Láminas para descargar
Conducir, hervir, punto crítico
Actividades
1. Tres experiencias de mesada
Para cada una, anotá qué observás y explicá por qué pasa, nombrando la propiedad involucrada.
- Llená un vaso hasta el borde y seguí agregando agua gota a gota. Contá cuántas gotas de más entran antes de que se derrame y describí la forma que toma la superficie.
- Apoyá un clip con cuidado sobre el agua, de plano. Después agregale una gota de detergente al vaso y mirá qué pasa.
- Poné un cubito de hielo en un vaso con agua y marcá con un fibrón hasta dónde llega. Estimá qué fracción del cubito queda por encima de la superficie.
2. Dos vasos, dos resultados
En un vaso con agua ponés una cucharada de sal; en otro, una cucharada de aceite.
- Describí qué pasa en cada uno.
- Explicá la diferencia usando la polaridad de cada sustancia y la regla de que lo semejante disuelve a lo semejante.
- Después de disolver la sal, ¿el agua conduciría mejor o peor la electricidad que antes? ¿Por qué?
3. Si el hielo se hundiera
Escribí una respuesta ordenada en tres partes.
Autoevaluación
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación, tanto si acertaste como si no: leela aunque hayas acertado.
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