Factores de la solubilidad y fuerzas entre moléculas
Lo que vas a aprender
- Separar los factores que cambian cuánto soluto cabe de los que solo cambian qué tan rápido se disuelve.
- Predecir qué le pasa a una solución si cambian la temperatura, la presión o las cantidades de soluto y de solvente.
- Explicar con los puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals la solubilidad, los puntos de ebullición y de fusión, la tensión superficial y la densidad de algunos líquidos.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Al destapar una gaseosa sale un chorro de burbujas que no estaban a la vista. Una cucharada de azúcar en polvo se disuelve antes que un terrón. El aceite flota sobre el agua de la sopa sin mezclarse, y algunos insectos caminan sobre un charco sin hundirse. No todo tiene la misma explicación: la gaseosa habla de cuánto gas cabe en el agua según la presión; el azúcar en polvo, de qué tan rápido se disuelve un sólido; y el aceite y los insectos, de cómo se atraen las moléculas entre sí.
En esta lección vas a predecir qué le pasa a una solución si la calientas, si le cambias la presión o si le agregas soluto o agua. También vas a explicar, con las fuerzas que hay entre las moléculas, por qué unos líquidos se mezclan y otros no, y por qué el agua tiene propiedades tan especiales.
Antes de empezar necesitas recordar qué es una solución saturada y cómo se calcula la masa molar de una sustancia sumando las masas de sus átomos.
Explicación
Cuánto cabe y qué tan rápido
Cuando una persona dice que algo «se disuelve mejor» puede estar diciendo dos cosas distintas. Una es que cabe más soluto: la solubilidad es mayor. La otra es que el soluto se disuelve más rápido, aunque al final quepa lo mismo. Separar las dos preguntas evita muchos errores.
Factores que cambian cuánto soluto cabe:
- La temperatura. En la mayoría de los sólidos, calentar aumenta la solubilidad. En los gases ocurre lo contrario: el agua caliente retiene menos gas. Por eso una gaseosa tibia pierde el gas más rápido que una fría.
- La presión. Casi no afecta a los sólidos ni a los líquidos, pero sí a los gases: a mayor presión sobre el líquido, más gas se disuelve. La gaseosa se embotella con el gas a presión; al destaparla, la presión baja y el gas sobrante escapa en burbujas.
- La cantidad de solvente. Con el doble de agua cabe el doble de soluto. La solubilidad por cada 100 g de agua no cambia, pero el total que cabe en el vaso sí.
- La naturaleza del soluto y del solvente. La sal se disuelve en agua y no en aceite. Esto se explica con las fuerzas entre moléculas, más abajo.
La cantidad de soluto no cambia el máximo: decide si la solución queda insaturada, justo saturada o con sobrante en el fondo.
Factores que solo cambian qué tan rápido se disuelve:
- La agitación. Revolver lleva agua nueva hasta el soluto y aleja la que ya tiene soluto.
- El tamaño de las partículas. Un sólido molido tiene más superficie en contacto con el agua, y el agua solo actúa sobre la superficie.
Ninguno de estos dos cambia el máximo. Si una limonada ya tiene azúcar en el fondo, revolver más fuerte no hará que se disuelva. Calentar sí, y además acelera.
Curva de solubilidad de un gas G, inventada para esta lección. El eje horizontal es la temperatura, en °C, y el vertical los miligramos de G que se disuelven como máximo en 1 kg de agua. Como en casi todos los gases, la curva baja: el agua caliente retiene menos gas.
Ejemplo resuelto
El gas que escapa al calentar
Un recipiente abierto tiene agua fría con todo el gas G que le cabe. Se calienta. Según la curva, ¿qué le pasa al gas disuelto?
Ver la solución paso a paso
El agua está saturada: tiene todo el gas G que le cabe a esa temperatura.
La curva de G baja hacia la derecha: a mayor temperatura, cabe menos gas en el agua.
Al calentar, el agua ya no puede retener todo el gas que tenía. El que sobra se escapa al aire, y el recipiente abierto lo deja salir.
La predicción es que el agua caliente queda con menos gas. Si G fuera un gas que necesitan los peces, el agua caliente les dejaría menos.
Respuesta: Parte del gas se escapa: el agua caliente retiene menos gas G que el agua fría.
Ejemplo resuelto
Por qué el azúcar molido se disuelve antes
Un terrón de azúcar se parte en cubitos más pequeños. ¿Por qué se disuelve antes? ¿Cambia cuánto azúcar cabe en el agua?
Ver la solución paso a paso
El agua solo disuelve el azúcar por la superficie que toca: va soltando las moléculas de afuera hacia adentro.
Al partir el terrón aparecen caras nuevas que antes estaban por dentro. La misma cantidad de azúcar queda con mucha más superficie en contacto con el agua.
Con más superficie, el agua suelta más moléculas a la vez: se disuelve más rápido.
Pero el máximo que cabe depende del agua y de la temperatura, no del tamaño de los pedazos: cabe lo mismo.
Respuesta: Se disuelve antes porque tiene más superficie en contacto con el agua; el máximo que cabe no cambia.
Las fuerzas entre moléculas
Las moléculas de un líquido no están sueltas: se atraen unas a otras. Esas atracciones se llaman fuerzas intermoleculares, y no hay que confundirlas con los enlaces que unen los átomos dentro de cada molécula. Hay dos clases que te sirven en esta lección.
- Las fuerzas de Van der Waals existen entre todas las moléculas. Son débiles y crecen con el tamaño de la molécula: en sustancias parecidas, la de mayor masa molar se atrae más.
- Los puentes de hidrógeno son mucho más fuertes. Aparecen cuando un hidrógeno está unido a un oxígeno, un nitrógeno o un flúor, y ese hidrógeno queda atraído por un oxígeno, un nitrógeno o un flúor de otra molécula. El agua los forma en abundancia.
Lo que explican
La solubilidad. El agua es una molécula polar: tiene un lado algo negativo, el del oxígeno, y otro algo positivo, el de los hidrógenos. Rodea a los iones de la sal, que tienen carga, y a las moléculas de azúcar o de alcohol, que son polares y forman puentes de hidrógeno con el agua, y los separa. El aceite no es polar: las moléculas de agua se atraen entre ellas mucho más que al aceite y lo dejan aparte. De ahí la regla «lo semejante disuelve a lo semejante».
Los puntos de ebullición y de fusión. Para hervir un líquido hay que separar sus moléculas; para fundir un sólido, soltarlas de su orden. Cuanto más fuertes son las fuerzas entre ellas, más energía se necesita y más alta es la temperatura a la que ocurre. Por eso el agua es líquida a temperatura ambiente mientras otras moléculas más pesadas, sin puentes de hidrógeno, ya son gases.
La tensión superficial. Una molécula del interior del agua es atraída por vecinas en todas las direcciones; una de la superficie solo tiene vecinas hacia abajo y hacia los lados. Esa atracción hacia adentro tensa la superficie como una película: las gotas se ponen redondas y algunos insectos livianos caminan sobre ella.
La densidad. Al congelarse, los puentes de hidrógeno ordenan las moléculas de agua en una red con huecos. El hielo queda menos denso que el agua líquida y por eso flota. Gracias a eso, un lago que se congela lo hace por arriba y el agua de abajo sigue líquida.
Gira la molécula de agua rodeada de sus vecinas. Las líneas punteadas son puentes de hidrógeno: el hidrógeno de una molécula queda frente al oxígeno de otra. Para que el agua hierva hay que separar las moléculas venciendo esas atracciones.
Ejemplo resuelto
Agua frente a sulfuro de hidrógeno
El agua y el sulfuro de hidrógeno tienen moléculas de forma parecida. A temperatura ambiente el agua es líquida y el sulfuro de hidrógeno es un gas. ¿Lo explica el peso de las moléculas?
Ver la solución paso a paso
Las dos moléculas tienen dos hidrógenos unidos a un átomo central: H₂O y H₂S. El azufre es un átomo más pesado que el oxígeno, así que la molécula de H₂S es la más pesada.
Si solo contaran las fuerzas de Van der Waals, que crecen con el tamaño de la molécula, el H₂S tendría que hervir a mayor temperatura.
Ocurre lo contrario. El agua tiene algo más: sus hidrógenos están unidos a un oxígeno y forman puentes de hidrógeno con las moléculas vecinas. El azufre no los forma de la misma manera.
Respuesta: No: la molécula de H₂S es más pesada. Lo que mantiene líquida al agua son los puentes de hidrógeno.
Práctica
Según la curva del gas G, ¿qué pasa con la cantidad de gas que cabe en el agua cuando el agua se calienta?
La curva de G baja hacia la derecha. Con los gases pasa al revés que con casi todos los sólidos: al calentar, cabe menos.
¿Por qué una gaseosa tibia pierde el gas más rápido que una fría?
El gas de la gaseosa está disuelto en el agua. En la gaseosa tibia cabe menos, así que el sobrante forma burbujas y se va.
Al destapar una gaseosa salen muchas burbujas de una vez. ¿Qué factor cambió?
La gaseosa se embotella a presión alta para que quepa más gas. Al destapar, la presión baja y el gas que ya no cabe sale.
Un vaso de agua ya tiene toda la sal que le cabe a esa temperatura, y en el fondo queda sal sin disolver. ¿Qué haría que se disolviera la que sobra?
El agua está saturada. Revolver o moler solo cambian la rapidez; para que quepa más hay que cambiar el máximo: más solvente o, en muchas sales, más temperatura.
¿Cuál de estos cambios hace que un sólido se disuelva más rápido, sin cambiar cuánto cabe?
Agitar reparte antes el soluto y moler aumenta la superficie: los dos aceleran. La temperatura, la cantidad y el tipo de solvente cambian cuánto cabe.
¿Por qué el azúcar molido se disuelve antes que un terrón?
Es la misma sustancia y cabe lo mismo. En polvo, el agua toca mucha más superficie a la vez y suelta más moléculas por segundo.
El agua hierve a una temperatura mucho más alta que el sulfuro de hidrógeno, aunque su molécula es más liviana. ¿Por qué?
Al hervir se separan moléculas. En el agua, los puentes de hidrógeno las mantienen unidas y hace falta más energía; en el sulfuro de hidrógeno, no.
El metano, el etano, el propano y el butano no forman puentes de hidrógeno, y sus moléculas son cada vez más grandes en ese orden. ¿Cuál esperas que hierva a mayor temperatura?
Sin puentes de hidrógeno, lo que mantiene unidas las moléculas son las fuerzas de Van der Waals, que crecen con el tamaño de la molécula.
¿Por qué algunos insectos livianos pueden pararse sobre el agua de un charco sin hundirse?
Es la tensión superficial: los puentes de hidrógeno atraen las moléculas de la superficie hacia adentro y la tensan. Un objeto liviano que no la rompe se queda encima.
Cuando un lago se congela en invierno, el hielo queda arriba y el agua de abajo sigue líquida. ¿Por qué flota el hielo?
La misma masa de agua ocupa más volumen como hielo, porque los puentes de hidrógeno la ordenan en una red con huecos. Menos denso que el agua líquida, el hielo flota y tapa el lago por arriba. Si las moléculas quedaran más juntas, el hielo sería más denso y se hundiría.
Reto
¿Cambia cuánto cabe o solo la rapidez?
Lleva cada cambio a su canasta: los que cambian cuánto soluto cabe en el vaso y los que solo hacen que se disuelva más rápido.
Reto
Une cada cambio con lo que pasa.
Piensa si el cambio mueve el máximo que cabe o solo la rapidez.
Cierre
En resumen
La temperatura, la presión, la cantidad de solvente y la naturaleza de las sustancias cambian cuánto soluto cabe; la agitación y el tamaño de las partículas solo cambian la rapidez.
En la mayoría de los sólidos la solubilidad sube al calentar; en los gases baja al calentar y sube con la presión.
Agregar soluto no cambia el máximo; agregar solvente sí cambia cuánto cabe en total, en proporción.
Los puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Waals explican por qué unas sustancias se disuelven en agua y otras no, y los puntos de ebullición y de fusión.
Los puentes de hidrógeno dan al agua su tensión superficial y hacen que el hielo sea menos denso que el agua líquida.
Vocabulario
- Fuerzas intermoleculares
Atracciones entre una molécula y las moléculas vecinas. No son los enlaces que unen los átomos dentro de la molécula.
- Puente de hidrógeno
Atracción fuerte entre un hidrógeno unido a oxígeno, nitrógeno o flúor y un átomo de oxígeno, nitrógeno o flúor de otra molécula.
- Fuerzas de Van der Waals
Atracciones débiles que existen entre todas las moléculas; crecen con el tamaño de la molécula.
- Tensión superficial
Resistencia de la superficie de un líquido a estirarse o romperse, porque sus moléculas se atraen hacia el interior.
- Molécula polar
Molécula con un extremo algo positivo y otro algo negativo, como la del agua.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Destape frente al grupo una gaseosa fría y pregunte de dónde salen las burbujas. Anote las hipótesis.
- Explicación · 20 min — Separe en el tablero los factores de «cuánto cabe» y de «qué tan rápido». Lea la curva del gas y resuelva los ejemplos. Luego presente las dos clases de fuerzas y lo que explica cada una.
- Práctica · 15 min — Preguntas y retos en parejas. Si hay tiempo, muestre con una gota de agua sobre una moneda o un clip que flota cómo actúa la tensión superficial.
- Cierre · 5 min — Que cada estudiante prediga, por escrito, qué pasa con una gaseosa que se deja destapada al sol y lo explique con dos factores.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué una gaseosa caliente pierde el gas más rápido que una fría?
- Si revolver no cambia el máximo, ¿por qué siempre revolvemos el azúcar del café?
- ¿Por qué el aceite y el agua no se mezclan, pero el alcohol y el agua sí?
- Una limonada ya tiene azúcar en el fondo que no se disuelve. Pedro dice que si revuelve más rápido se disolverá todo. ¿Tiene razón?
Errores típicos
- Creer que revolver o moler aumenta la cantidad de soluto que cabe. Pregunte qué pasa con una limonada saturada si se revuelve una hora. Separe siempre «cuánto» de «qué tan rápido».
- Pensar que los gases se comportan como los sólidos y se disuelven más en caliente. Compare la curva del gas con la de un sólido y recuerde la gaseosa tibia.
- Confundir las fuerzas intermoleculares con los enlaces dentro de la molécula. Explique que al hervir el agua se separan moléculas enteras de H₂O; no se rompe la molécula en hidrógeno y oxígeno.
- Creer que la molécula más pesada siempre hierve a mayor temperatura. Use el caso del agua y el H₂S: los puentes de hidrógeno cuentan más que la diferencia de masa molar.
Tarea sugerida
Escribir tres predicciones, cada una con su factor: qué pasa al poner una gaseosa abierta en la nevera, al echar sal gruesa en vez de fina a una olla de agua y al agregar agua a un vaso con azúcar en el fondo. Calcular la masa molar del NH₃ y del CH₄ y explicar por qué, aunque sean casi iguales, el NH₃ hierve a mayor temperatura.