Propiedades según el enlace
Lo que vas a aprender
- Predecir el estado de agregación y si la temperatura de fusión es alta o baja a partir del tipo de enlace.
- Explicar qué pasa con los iones de un compuesto iónico y con las moléculas del azúcar cuando se disuelven en agua, y escribir la ecuación de la disolución de una sal.
- Justificar con la masa que disolver sal en agua es un cambio físico.
- Diseñar con el docente una práctica para comparar cómo se disuelven la sal, el azúcar y la parafina.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
La sal y el azúcar se parecen mucho: los dos son granitos blancos y los dos se disuelven en el agua. Pero si se calientan en una olla, con un adulto, el azúcar se funde y, si se sigue calentando, se vuelve caramelo, mientras que la sal sigue sólida por mucho que se caliente en la estufa. (Fundirse es un cambio físico; hacerse caramelo ya es un cambio químico: las moléculas de azúcar se rompen y forman otras). Una vela se derrite con el calor de su propia llama, y el agua hierve en cualquier cocina.
¿Por qué unas sustancias se funden o hierven con poco calor y otras no? ¿Por qué unas se disuelven en agua y otras no? Gran parte de la respuesta está en el tipo de enlace que viste en las dos lecciones anteriores. Con esa idea vas a poder predecir cómo se comporta una sustancia antes de experimentar con ella.
Antes de empezar recuerda que en un compuesto iónico hay una red de iones y en una sustancia covalente hay moléculas.
Explicación
Dos maneras de estar unidos
En un compuesto iónico, como la sal, cada ion está atraído por muchos iones vecinos de carga contraria, en todas las direcciones. Para separar los iones hay que vencer muchas atracciones fuertes a la vez.
En una sustancia molecular, como el agua o el azúcar, cada molécula tiene sus átomos unidos por enlaces covalentes fuertes. Pero entre una molécula y otra la atracción es mucho más débil. Al fundir o hervir una sustancia molecular no se rompen los enlaces covalentes: solo se separan las moléculas unas de otras.
Estado de agregación y temperaturas de fusión y ebullición
Por eso los compuestos iónicos, como NaCl, KCl, MgO y CaCl₂, son sólidos a temperatura ambiente, con temperaturas de fusión altas: se necesita mucha energía para soltar los iones de la red. La sal de cocina no se funde en una estufa casera.
Las sustancias moleculares pueden ser gases (H₂, Cl₂, HCl), líquidos (el agua) o sólidos que se funden con mucho menos calor que la sal (el azúcar; la parafina, que además es blanda). Sus temperaturas de fusión y de ebullición son, en general, más bajas que las de los compuestos iónicos: basta separar moléculas que se atraen poco. Ojo: lo que distingue al azúcar de la sal no es la dureza, porque sus granos son duros y quebradizos como los de sal, sino la temperatura a la que se funde.
Un error muy común: cuando el agua hierve, las burbujas no son de hidrógeno y oxígeno. Son vapor de agua: las mismas moléculas de H₂O, ahora separadas unas de otras.
Hay excepciones que conviene conocer. El diamante y la arena de cuarzo tienen enlaces covalentes, pero sus átomos no forman moléculas sueltas: están todos unidos en una red gigante, y por eso son durísimos y se funden a temperaturas muy altas. Los estudiarás más adelante.
La solubilidad en agua
Cuando echas sal en el agua, las moléculas de agua rodean los iones de la superficie del cristal y los van soltando uno por uno. Los iones se reparten por todo el líquido:
$$\mathrm{NaCl \rightarrow Na^{+} + Cl^{-}}$$
La ecuación dice que cada unidad de NaCl deja en el agua dos iones sueltos. Muchos compuestos iónicos se disuelven así en el agua, pero no todos: la tiza, por ejemplo, casi no se disuelve.
Con las sustancias moleculares pasa de todo. El azúcar se disuelve muy bien, pero sus moléculas no se rompen: se separan unas de otras y quedan enteras entre las del agua. La parafina y el aceite, en cambio, casi no se disuelven en agua. Por qué unas moléculas sí y otras no depende de cómo están hechas, y lo verás en décimo.
Disolver es un cambio físico: si se evapora el agua, la sal vuelve a aparecer, con la misma masa que se echó.
Una pista más: la corriente eléctrica
Los iones tienen carga. En el cristal de sal están fijos y no conducen la corriente, pero disueltos en agua (o en la sal fundida) se pueden mover y la disolución conduce la electricidad. El agua con azúcar casi no la conduce, porque las moléculas de azúcar no tienen carga (lo poco que conduce se debe a las sales que ya trae el agua de la llave). Ojo: hay sustancias moleculares que, al disolverse en agua, sí sueltan iones. El HCl, que es un gas, al disolverse forma el ácido clorhídrico, que conduce muy bien la corriente. Con un probador de conductividad, el docente puede mostrar esta diferencia que el ojo no ve.
En el agua con sal hay iones Na⁺ y Cl⁻ sueltos; en el agua con azúcar hay moléculas de azúcar enteras. Las moléculas de agua no se dibujan.
Cambia entre la sal y la glucosa (un azúcar más sencillo que el de mesa) y gíralas. La sal es una red: cada ion queda rodeado de iones de carga contraria, sin moléculas sueltas. La glucosa es una molécula con sus átomos unidos; entre una molécula y otra la atracción es débil.
Cómo predecir
Frente a una sustancia nueva, primero se decide el tipo de enlace: un metal de los grupos 1 o 2 con un no metal de los grupos 16 o 17 da un compuesto iónico; dos no metales dan una sustancia molecular. Luego se predice:
- Iónico: sólido a temperatura ambiente, temperaturas de fusión y ebullición altas, quebradizo; muchos se disuelven en agua, y la disolución conduce la electricidad.
- Molecular: gas, líquido o sólido que se funde con poco calor comparado con la sal; temperaturas de fusión y ebullición más bajas; unos se disuelven en agua y otros no. Si se disuelven en moléculas enteras, como el azúcar, la disolución casi no conduce; algunas, como el HCl, sueltan iones en el agua y la disolución sí conduce.
Una predicción no es una certeza: se comprueba con un experimento.
La práctica: sal, azúcar y parafina en agua
Con el docente, en tres vasos con la misma cantidad de agua de la llave, echen una cucharadita de sal en el primero, una de azúcar en el segundo y un poco de vela rallada en el tercero. Revuelvan lo mismo en los tres y anoten qué ven. Después, pongan unas gotas de cada vaso en un plato y déjenlas secar al sol hasta el día siguiente. No se usa llama ni se prueba nada con la boca.
Ejemplo resuelto
El cloruro de calcio en agua
El cloruro de calcio se disuelve en agua. ¿Qué partículas quedan sueltas, y la disolución conduce la corriente?
Ver la solución paso a paso
Primero, el tipo de enlace: el calcio es un metal del grupo 2 y el cloro un no metal del grupo 17. Es un compuesto iónico, una red de iones.
Al disolverse, las moléculas de agua rodean los iones de la superficie del cristal y los van soltando: quedan iones de calcio y de cloruro repartidos por el líquido (CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻).
Los iones tienen carga y en el agua se pueden mover: la disolución conduce la electricidad.
No se formó una sustancia nueva: si se evapora el agua, vuelve a aparecer el cloruro de calcio. Es un cambio físico.
Respuesta: Quedan iones de calcio y de cloruro sueltos, y la disolución conduce la corriente.
Ejemplo resuelto
Sal y azúcar, partícula por partícula
Se disuelve una cucharadita de sal en un vaso de agua y una de azúcar de mesa en otro. Las dos desaparecen de la vista. ¿En qué se diferencia lo que queda suelto en cada vaso?
Ver la solución paso a paso
La sal es iónica: al disolverse, su red se deshace en iones de sodio y de cloruro, con carga (NaCl → Na⁺ + Cl⁻).
El azúcar es molecular: sus átomos están unidos por enlaces covalentes que no se rompen. Cada molécula se separa de las otras moléculas de azúcar y queda entera, sin carga, rodeada de agua.
Por eso el agua con sal conduce la corriente y el agua con azúcar casi no: lo que se ve igual por fuera es distinto por dentro.
Respuesta: En el vaso de sal quedan iones con carga; en el de azúcar, moléculas enteras de azúcar, sin carga.
Ejemplo resuelto
La sal vuelve a aparecer
Se disuelve una cucharada de sal en un vaso de agua y luego se deja evaporar toda el agua en un plato al sol. ¿Qué queda en el plato?
Ver la solución paso a paso
Al disolverse, la sal no desaparece: sus iones se reparten en el agua, y la balanza marca lo que pesaban el agua y la sal juntas.
Al evaporarse, se va solo el agua. Los iones se vuelven a juntar en cristales.
Queda la misma sal que se echó, con la misma masa. Disolver no formó una sustancia nueva: es un cambio físico.
Respuesta: Queda la misma sal, con la misma masa que se disolvió.
Práctica
Al disolverse el cloruro de potasio (la sal baja en sodio) en agua, ¿qué queda en el agua?
El cloruro de potasio es iónico (un metal del grupo 1 con un no metal del grupo 17). Al disolverse, el agua suelta los iones de la red; no hay moléculas de cloruro de potasio que puedan quedar enteras.
¿Por qué el agua con sal conduce la electricidad y un cristal de sal seco no?
El cristal sí tiene iones, pero están fijos en la red. Disueltos, se mueven y llevan la corriente. El agua de la llave sola conduce muy poco.
¿Qué le pasa a una molécula de azúcar cuando se disuelve en agua?
Los enlaces covalentes dentro de la molécula son fuertes y no se rompen al disolver. Lo que se separa es una molécula de otra.
El agua con azúcar casi no conduce la corriente. ¿Por qué?
Para conducir hacen falta partículas con carga que se muevan. El azúcar sí se disuelve, pero en moléculas enteras y sin carga.
Un compuesto está formado por un metal del grupo 1 y un no metal del grupo 17. ¿Qué esperas de él a temperatura ambiente?
Metal con no metal da un compuesto iónico. Para fundirlo hay que vencer muchas atracciones fuertes entre iones: es sólido y se funde a temperatura alta, como la sal de cocina.
La parafina de una vela se funde con poco calor. ¿Qué indica eso?
Al fundir una sustancia molecular no se rompen los enlaces de cada molécula: se separan las moléculas, que se atraen débilmente. Por eso basta poco calor.
Se disuelve sal en un vaso de agua puesto sobre una balanza. ¿Qué marca la balanza después de disolver?
La sal no desaparece: sus iones siguen en el agua. Nada entra ni sale, así que la masa es la del agua más la de la sal.
Se deja evaporar al sol el agua de un plato con agua azucarada. ¿Qué queda en el plato?
Las moléculas de azúcar estaban enteras en el agua. Al irse el agua, se vuelven a juntar y queda el azúcar, como en las gotas de la práctica.
¿Por qué disolver sal en agua es un cambio físico?
Que algo deje de verse no es la prueba. La prueba es que la sal se recupera igual, con la misma masa: no hubo sustancia nueva.
¿Cuál de estas sustancias esperas que tenga la temperatura de fusión más alta?
El KCl es iónico: un metal del grupo 1 con un no metal. Para fundirlo hay que separar iones de una red. Las otras tres son moleculares: al fundirse solo se separan moléculas que se atraen poco.
Cuando el agua hierve, ¿qué hay dentro de las burbujas?
Hervir es un cambio físico: se separan las moléculas, pero los enlaces covalentes entre el oxígeno y los hidrógenos no se rompen. Al principio salen algunas burbujas de aire disuelto, pero las burbujas grandes del hervor son de vapor.
Reto
Red de iones o moléculas.
Primero decide el tipo de enlace: metal con no metal, o dos no metales. Luego predice la temperatura de fusión.
Reto
¿Cuál no es como los demás?
En cada ronda, tres se parecen por su tipo de enlace y uno no. Toca el que no es como los demás.
Cierre
En resumen
Los compuestos iónicos forman redes de iones con muchas atracciones fuertes; son sólidos con temperaturas de fusión y ebullición altas.
Las sustancias moleculares tienen enlaces fuertes dentro de cada molécula, pero sus moléculas se atraen poco; pueden ser gases, líquidos o sólidos que se funden con poco calor, con temperaturas de fusión y ebullición más bajas.
Al fundir o hervir una sustancia molecular no se rompen sus enlaces; el vapor de agua sigue siendo H₂O.
Al disolverse, un compuesto iónico suelta sus iones (NaCl → Na⁺ + Cl⁻) y la disolución conduce la electricidad; el azúcar se disuelve en moléculas enteras, sin carga, y casi no conduce. Algunas moléculas, como el HCl, sí sueltan iones en el agua.
Disolver es un cambio físico; al evaporar el agua se recupera la misma masa de sal.
Vocabulario
- Estado de agregación
Forma en que se presenta una sustancia a temperatura ambiente: sólido, líquido o gas.
- Temperatura de fusión
Temperatura a la que un sólido se vuelve líquido.
- Temperatura de ebullición
Temperatura a la que un líquido hierve y se vuelve gas en todo su volumen.
- Solubilidad
Capacidad de una sustancia para disolverse en otra, por ejemplo en agua.
- Disolución
Mezcla uniforme en la que una sustancia, el soluto, está repartida en otra, el disolvente, en partículas tan pequeñas que no se ven.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre sal y azúcar en dos platos y pregunte cómo distinguirlas sin probarlas. Recoja las ideas para contrastarlas al final.
- Explicación · 15 min — Relacione red de iones y moléculas con las propiedades. Resuelva los tres ejemplos; en el del azúcar, insista en que la molécula se disuelve entera.
- Práctica · 25 min — Haga usted la práctica de los tres vasos con los estudiantes observando; usted reparte la vela ya rallada. Si el colegio tiene un probador de conductividad, conéctelo usted a los vasos de sal y de azúcar. Luego, preguntas y retos en parejas.
- Cierre · 5 min — Pida predecir, con su justificación, si el cloruro de potasio (KCl) de la sal baja en sodio se fundiría en una estufa casera.
Preguntas para el salón
- Si al hervir el agua no se rompen sus enlaces, ¿qué es lo que se rompe o se separa?
- La sal y el azúcar se disuelven las dos. ¿Qué experimento mostraría que lo hacen de manera distinta?
- ¿Por qué una predicción basada en el tipo de enlace tiene que comprobarse con un experimento? Den un ejemplo de excepción.
Errores típicos
- Creer que las burbujas del agua hirviendo son hidrógeno y oxígeno. Pregunte qué se recoge en la tapa de una olla: gotas de agua. El vapor se vuelve a condensar en agua, no en dos gases.
- Pensar que la sal «desaparece» o se destruye al disolverse. Use el ejemplo de la masa y las gotas secadas al sol: la sal vuelve a aparecer.
- Creer que todo lo que se disuelve en agua es iónico. El azúcar es molecular y se disuelve muy bien; la tiza tiene iones y casi no se disuelve.
- Pensar que la molécula de azúcar se parte en átomos al disolverse. Compare las dos ecuaciones: la sal se separa en iones; el azúcar solo se separa de otras moléculas de azúcar.
Tarea sugerida
Escribir un informe corto de la práctica de los tres vasos: pregunta, materiales, pasos, observaciones (qué se disolvió y qué quedó en el plato al secarse) y una conclusión que use el tipo de enlace de la sal, del azúcar y de la parafina.