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¿Por qué el agua cambia de fase tan fácilmente?

Hice algo de química a nivel de licenciatura como parte de mi carrera. Me quedé con la clara impresión de que la polaridad del agua es la responsable de sus inusuales propiedades de fase: es la única sustancia cotidiana que puede existir en los tres estados en condiciones fácilmente reproducibles.

Mi hija está aprendiendo sobre los estados de la materia en el colegio, y pensé que esto podría ser un "extra" divertido para sus deberes, así que me senté a explicárselo. En ese momento me di cuenta de que no podía explicárselo yo misma. La polaridad explica por qué el agua se solidifica con relativa facilidad y por qué el hielo flota/se expande, pero no pude ver/recordar por qué podría tener algo que ver con la transición a un gas.

Así que le enseñé sobre los diagramas de fase en su lugar, como una cosa visual agradable para llevar a la clase.

Pero me dejó con la pregunta: ¿la polaridad del agua ayuda a explicar sus inusuales propiedades de fase? ¿O es algo más? ¿O acaso esas propiedades de fase no son tan inusuales como me parece recordar?

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Akash Ramani Puntos 178

¿ayuda la polaridad del agua a explicar sus inusuales propiedades de fase?

No sólo su polaridad, sino su capacidad de formar enlaces de hidrógeno junto con el tamaño y la forma de sus moléculas.

Los enlaces de hidrógeno dan al agua un punto de ebullición inusualmente alto para una molécula de su tamaño; muchas moléculas de tamaño similar que no pueden formar enlaces de hidrógeno son gases a temperatura ambiente. También confieren al agua una capacidad calorífica relativamente alta y altas entalpías de fusión y vaporización. Estas dos últimas propiedades hacen que el hielo tenga que absorber más calor para fundirse y que el agua líquida tenga que absorber más calor para hervir del que sería necesario sin el enlace de hidrógeno.

La forma del agua le permite formar 4 enlaces de hidrógeno dispuestos de forma tetraédrica. Esto le permite formar enlaces de hidrógeno en redes de anillos hexagonales con forma de silla en el hielo . Los huecos en el centro de los anillos hacen que el hielo sea menos denso que el agua. Esto es inusual; la forma sólida de un compuesto suele ser más densa que la forma líquida.

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retracile Puntos 126

Presión de vapor del agua es bastante pequeño, gracias al enlace H en el líquido. Por tanto, se necesita más energía para evaporar (romper los enlaces H con las moléculas vecinas) una molécula de agua.

Si se compara el agua con el análogo sin enlace H más "cercano", el dimetiléter, $\ce{CH_3-O-CH_3}$ encontrarás, que presión de vapor del éter es mucho mayor (500 kPa) que el agua (2,3 kPa).

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