Partículas en sólidos, líquidos y gases
Las moléculas de nitrógeno del aire que te rodea a 30 °C se mueven a unos 519 m/s, más rápido que un avión de pasajeros.
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Vierte agua en un vaso: se acumula en el fondo y forma una superficie horizontal. Haz hervir esa misma agua y el vapor se dispersará por la habitación. Las moléculas de agua no han cambiado: H₂O sigue siendo H₂O en el hielo, el agua y el vapor. Lo que cambia es la distancia entre las moléculas, la intensidad con que se atraen y la rapidez con que se mueven. El modelo de partículas de esta página muestra las mismas 40 partículas en cada estado para que puedas compararlos directamente.
Comparación de los tres estados
| Estado | Partículas | Forma y volumen |
|---|---|---|
| Sólido | Muy juntas y ordenadas en un patrón regular; vibran en su lugar | Forma y volumen propios; apenas se comprime |
| Líquido | Muy juntas, pero desordenadas; se deslizan unas junto a otras | Adopta la forma del recipiente y conserva su volumen; apenas se comprime |
| Gas | Muy separadas; viajan en línea recta | Llena el recipiente; se comprime mucho |
Como las partículas de los sólidos y los líquidos ya están en contacto, una mayor presión apenas puede acercarlas más. Por eso un gato hidráulico transmite una fuerza a través del aceite sin que este se comprima. En un gas, la mayor parte del volumen es espacio vacío entre las moléculas, así que una bomba de bicicleta puede comprimir aire dentro de un neumático. Las fuerzas entre moléculas también explican por qué los líquidos forman gotas y los sólidos conservan su forma: en ambos casos, la atracción es suficiente para mantener juntas las partículas. En un gas se mueven demasiado rápido y están demasiado separadas para que esas atracciones las mantengan unidas.
El agua rompe la regla habitual
En la mayoría de las sustancias, el sólido es más denso que el líquido, de modo que un fragmento sólido se hunde en su propia sustancia fundida. El agua es distinta. A 0 °C, el agua líquida tiene una densidad de 0.99987 g/cm³ y, al congelarse, su densidad disminuye alrededor de un 9% (USGS). El hielo flota con la mayor parte de su volumen bajo la superficie; por eso casi todo un iceberg queda oculto. La disposición abierta de las moléculas en un cristal de hielo ocupa más espacio que su disposición desordenada en el líquido. El agua líquida alcanza su máxima densidad a 4 °C, con 1.00000 g/cm³, y vuelve a perder densidad al calentarse, hasta llegar a 0.95865 g/cm³ a 100 °C.
La temperatura refleja el movimiento de las partículas
La escala Celsius sitúa el 0 en el punto de congelación del agua, algo práctico pero que no guarda relación con las partículas. La escala kelvin comienza en el cero absoluto, la temperatura más baja posible, que equivale a −273.15 °C. Para convertir, suma 273.15: 25 °C equivalen a 298.15 K. En esta escala, la energía cinética media de las partículas es directamente proporcional a la temperatura; por eso un gas a 600 K tiene el doble de energía cinética media que el mismo gas a 300 K.
En un gas, la rapidez se obtiene a partir de esa energía. La rapidez cuadrática media es u = √(3RT/M), donde R vale 8.314 J/(mol K), T se expresa en kelvin y M es la masa molar en kilogramos por mol. Para el nitrógeno a 30 °C, OpenStax calcula √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s. A la misma temperatura, las moléculas más pesadas se mueven más despacio: una molécula de oxígeno a −23 °C tiene una rapidez media de unos 441 m/s. Las partículas de la imagen se han ralentizado millones de veces para que puedas seguirlas.
| Kelvin | °C + 273.15; 0 K es el cero absoluto |
| Rapidez cuadrática media | u = √(3RT/M), con M en kg/mol |
| Densidad del hielo | Alrededor de un 9% menor que la del agua líquida; por eso el hielo flota |
| Máxima densidad del agua | A 4 °C: 1.00000 g/cm³ |
- Convierte 25 °C a kelvin.
- El nitrógeno líquido hierve a 77.34 K (NIST). ¿A cuántos °C equivale esa temperatura (1 decimal)?
- Un gas se calienta de 300 K a 600 K. Su energía cinética media…
- se duplica
- permanece igual
- se cuadruplica
- Calcula la rapidez cuadrática media de una molécula de N₂ (M = 0.028 kg/mol) a 303 K, redondeada al m/s más cercano.
- A la misma temperatura, ¿cuál se mueve más rápido en promedio?
- N₂ (28 g/mol)
- O₂ (32 g/mol)
- Tienen la misma rapidez
- ¿Por qué el aire puede comprimirse dentro de un neumático, mientras que el agua apenas se comprime?
- Las moléculas de un gas están muy separadas; las de un líquido ya están en contacto
- Las moléculas de agua son más pesadas
- El aire no es materia
- El agua a 0 °C tiene una densidad de 0.99987 g/cm³. La del hielo es aproximadamente un 9% menor. Estima la densidad del hielo (2 decimales).
- ¿A qué temperatura alcanza el agua líquida su máxima densidad?
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- ¿En qué estado las partículas están en contacto, pero se deslizan unas junto a otras?
- Líquido
- Sólido
- Gas
- Ordena los estados según sus partículas, desde las más firmemente unidas hasta las más libres.
- Las moléculas no cambian; cambian su separación, su atracción y su rapidez.
- El hielo es alrededor de un 9% menos denso que el agua y por eso flota; el agua alcanza su máxima densidad a 4 °C.
- K = °C + 273.15; energía cinética media ∝ T en kelvin.
- Rapidez de un gas u = √(3RT/M): N₂ a 30 °C ≈ 519 m/s.
Fuentes de este curso (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Fecha de consulta: 2026-10-17