Fundamentos Químicos de la Ingeniería · tema 04
Estados físicos y propiedades de la materia
Los cuatro tipos de sólido cristalino y cómo se identifican por lo que hacen, la presión de vapor, y por qué un soluto disuelto hace que un líquido se evapore más despacio.
este tema trae un simuladorEs el tema más raro de la asignatura, porque se examina sin números. Las dos preguntas que hay en el corpus son de razonar: una pide clasificar cuatro sustancias por su tipo de sólido, y la otra —media hoja, medio punto— pide explicar por qué el bañador se seca antes si te duchas al salir del mar.
Eso lo hace engañosamente fácil de leer y difícil de aprobar. No hay ninguna cuenta que salvarte, y una respuesta vaga vale cero. Lo que se puntúa es nombrar el mecanismo, con su vocabulario.
Lo que separa los tres estados es una sola cosa
La distancia entre las partículas, y con ella la fuerza que las une.
| orden | movilidad | |
|---|---|---|
| gas | desorden total, mucho espacio vacío | libertad total |
| líquido | desorden, pero partículas cercanas | se mueven unas respecto de otras |
| sólido cristalino | arreglo ordenado | posiciones esencialmente fijas |
Y una consecuencia que se pregunta: al fundir o hervir una sustancia molecular, las moléculas siguen enteras. Lo que se rompe es lo de fuera. El temario lo cuantifica: vaporizar un mol de agua cuesta kJ, y romper todos sus enlaces O–H cuesta . Veintitrés veces más.
Los sólidos, además, se parten en dos familias: los cristalinos, con las partículas en un patrón repetitivo, que son anisótropos —tienen propiedades distintas según la dirección—, y los amorfos, como el vidrio de cuarzo, con forma y volumen fijos pero átomos desordenados, y por tanto isótropos.
Los cuatro tipos de sólido cristalino
Esta tabla es el ejercicio 5 del examen de 2024-2025 casi literalmente. Las propiedades de un cristal dependen de tres cosas: la geometría de la red, qué partícula está en los nudos y qué la mantiene unida.
| tipo | partícula | fuerza de cohesión | cómo se delata |
|---|---|---|---|
| iónico | iones positivos y negativos | enlace iónico | duro y frágil, funde alto, conduce solo fundido o disuelto |
| covalente | átomos | enlace covalente | muy duro, funde altísimo, insoluble en todo |
| molecular | moléculas | van der Waals y enlace de hidrógeno | blando, funde bajo, no conduce |
| metálico | iones positivos en un mar de electrones | enlace metálico | conduce en sólido, dúctil y maleable |
Los ejemplos del temario, que conviene tener a mano porque el examen los usa: NaCl y CaCO₃ para el iónico; diamante, SiC y SiO₂ para el covalente; argón, metano y hielo seco para el molecular; Cu, Fe y Al para el metálico.
Cómo se identifica un sólido por lo que hace
El examen nunca da el tipo: da comportamientos y hay que remontar. La conductividad es la pregunta que más separa, y hay que hacerla en dos tiempos.
La pregunta que responde: te describen una sustancia por lo que hace, no por lo que es. El orden importa — conduce en sólido y conduce fundido son dos preguntas distintas, y confundirlas es lo que hace que un iónico se etiquete como metálico. El punto de fusión solo se usa al final, cuando ya sabes que no conduce nunca.
Decir «conduce la electricidad» sin decir cuándo
Es el fallo que decide el ejercicio 5, porque el enunciado está escrito precisamente sobre esa distinción: una de las sustancias «es un buen conductor eléctrico» y otra «es capaz de conducir la electricidad únicamente cuando está fundida».
En un metal los electrones están deslocalizados y se mueven en el sólido. En un sólido iónico los portadores son los iones, y en la red están fijos en sus posiciones: hasta que no se funde o se disuelve no hay nada que se mueva.
Escribir «conduce» a secas no distingue las dos, y son dos sustancias distintas del mismo ejercicio.
Dentro de una misma familia todavía hay que ordenar, y ahí manda la fuerza de la cohesión. Entre dos iónicos con la misma estructura, funde más alto el que tiene la energía de red mayor, y esa crece cuando los iones son más pequeños y su carga mayor. Entre dos moleculares, funde y hierve más alto el que tenga las fuerzas intermoleculares más fuertes: el enlace de hidrógeno gana a la dipolo-dipolo, y esta a la dispersión — salvo cuando la diferencia de tamaño es grande, porque la dispersión crece con la polarizabilidad.
Y una cifra del temario que conviene tener presente, porque rompe el prejuicio de que «metálico» significa «funde altísimo»: el sodio funde a °C y el cromo a °C. Los dos son metales.
La presión de vapor, y por qué un líquido se seca
En la superficie de un líquido hay moléculas que llevan bastante energía como para escapar. La presión de vapor es la presión que ejercen esas moléculas escapadas cuando se llega al equilibrio, y crece siempre con la temperatura.
Cuando la presión de vapor iguala a la presión exterior, el líquido hierve. Y un líquido que no está hirviendo también se evapora, solo que más despacio: se va secando por la superficie.
De ahí sale la palabra que el examen quiere: un líquido con presión de vapor alta es volátil y se seca rápido. Uno con presión de vapor baja tarda.
Un soluto disuelto baja la presión de vapor
Y esta es la respuesta al bañador.
El agua del mar no es agua: es una disolución de sales. Al disolverse, el NaCl se separa en Na⁺ y Cl⁻, y cada ion se rodea de moléculas de agua orientadas hacia él por atracción ion-dipolo. Esas moléculas están sujetas, y una molécula sujeta es una molécula que no se escapa.
La pregunta que responde: si es agua en los dos casos, ¿por qué una tarda más en secarse? Porque en la de la derecha parte de las moléculas están retenidas alrededor de los iones y parte de la superficie está ocupada por ellos. Escapan menos moléculas por segundo, la presión de vapor de la disolución es menor que la del disolvente puro, y el secado se alarga. Ducharse quita la sal y devuelve la superficie de la izquierda.
Ese descenso de la presión de vapor al añadir un soluto es una propiedad coligativa: depende de cuántas partículas hay disueltas, no de cuáles. Y tiene una consecuencia práctica que cierra el argumento: mientras quede sal en la tela, el agua que la acompaña se evapora despacio; en cuanto se aclara con agua dulce, ya no hay iones que la retengan y el bañador se seca al ritmo normal.
Contestar que «la sal absorbe humedad» y parar ahí
Es medio punto y media hoja, así que la respuesta corta no basta. Decir que la sal retiene agua describe el fenómeno pero no lo explica, y no usa ninguna palabra del temario.
Lo que se puntúa es la cadena entera: la sal se disuelve en iones, los iones se rodean de moléculas de agua por interacción ion-dipolo, eso reduce el número de moléculas capaces de escapar, y por tanto baja la presión de vapor de la disolución respecto de la del agua pura —un descenso que es una propiedad coligativa—. Menos presión de vapor, evaporación más lenta.
Cuatro términos, y los cuatro tienen que aparecer.
Cómo saber que has terminado
- Nombras los cuatro tipos de sólido cristalino con su partícula y su fuerza de cohesión, sin mirar la tabla.
- Identificas un sólido a partir de su comportamiento preguntando por la conductividad en dos tiempos, y solo después por el punto de fusión.
- Ordenas dos iónicos de la misma estructura por su punto de fusión razonando con el tamaño y la carga de los iones.
- Ordenas dos moleculares por su temperatura de ebullición nombrando qué fuerza intermolecular tiene cada uno.
- Explicas lo del bañador con los cuatro términos del error típico de arriba, no con una frase de sentido común.
Practica lo que acabas de leer
Qué se rompe cuando hierve el agua, y cuánto cuesta
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →Qué se rompe cuando hierve el agua, y cuánto cuesta
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Vaporizar un mol de agua cuesta 41 kJ. Romper todos los enlaces O–H de un mol de agua cuesta 930 kJ.
Determinar cuántos moles de agua se podrían vaporizar con la energía que costaría romper los enlaces O–H de un solo mol, y explicar qué dice esa cifra sobre lo que ocurre al hervir.
El número de moles vaporizables con 930 kJ, y qué se rompe al hervir.
- 01
Reconocer el camino
COMP1Cuando el agua hierve y se convierte en vapor, ¿qué se rompe?
No se rompe ninguno. La diferencia de coste entre los dos procesos no viene de romper menos enlaces del mismo tipo, sino de romper enlaces de otro tipo, mucho más débiles.
Es físico, sí, pero cuesta energía: por eso el agua tarda en hervir aunque ya esté a 100 °C. Lo que hay que vencer son las atracciones entre moléculas.
Eso es. El vapor de agua sigue siendo H₂O: lo que se ha vencido son los enlaces de hidrógeno y las demás fuerzas intermoleculares que mantenían juntas a las moléculas.
Si al hervir agua se rompieran los O–H saldría hidrógeno y oxígeno gaseosos, y una olla sería una bomba. El vapor que sale es agua; solo ha cambiado de estado.
- 02
La comparación en moles
COMP2Con los 930 kJ que costaría romper los enlaces O–H de un mol, ¿cuántos moles de agua se podrían vaporizar?
un número, con un decimal — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has restado en vez de dividir. La pregunta es cuántas veces cabe un coste dentro del otro, y eso es un cociente.
Has dividido al revés, . Fíjate en qué es lo grande: los 930 kJ son el presupuesto y los 41 kJ el precio unitario.
Eso es la suma de los dos. Los dos procesos no se encadenan aquí: se están comparando.
Es una división. Presupuesto entre precio por mol.
Desarrollo
Con lo que cuesta romper los enlaces internos de un mol se vaporizarían casi veintitrés.
- 03
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Ser más débiles no es ser despreciables: son exactamente las que explican que el agua sea líquida a temperatura ambiente cuando moléculas parecidas y más pesadas son gases. Despreciarlas es quedarse sin poder explicar ni un punto de ebullición.
El razonamiento, en orden
Vaporizar un mol de agua cuesta 41 kJ y romper sus enlaces O–H cuesta 930 kJ.
El cociente es 930/41 = 22,7: lo intramolecular cuesta casi veintitrés veces más que lo intermolecular.
Por eso, al cambiar de estado, se vencen las fuerzas intermoleculares y las moléculas quedan intactas.
Y por eso también el vapor de agua sigue siendo agua: un cambio de estado no cambia la sustancia.
Resolución completa
Qué se rompe. Al hervir, el agua pasa de líquido a gas y las moléculas de H₂O siguen siendo H₂O. Lo que se vence son las fuerzas intermoleculares —en el agua, sobre todo enlaces de hidrógeno—, no los enlaces covalentes O–H de dentro de cada molécula.
La cifra que lo demuestra. Los dos costes están medidos y no se parecen:
Con la energía necesaria para romper los enlaces O–H de un solo mol se vaporizarían casi veintitrés moles. Esa proporción es la razón física de que un cambio de estado sea barato comparado con una reacción química.
Lo que hay que llevarse. Es la regla general del tema: las fuerzas intermoleculares son mucho más débiles que las intramoleculares. El temario da la misma comparación con el HCl —431 kJ/mol para disociarlo en átomos, 16 kJ/mol para vaporizarlo—, y ahí la razón es todavía mayor.
Pero débil no es irrelevante. Esas fuerzas débiles son las que deciden el punto de fusión, el de ebullición y el estado en que encuentras una sustancia a temperatura ambiente, que es justo lo que el examen pregunta.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Dónde hierve el agua, que no siempre es a cien grados
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
El agua hierve a 100 °C al nivel del mar. En la cima del Kilimanjaro, a 5895 m de altitud, la presión atmosférica es de 350 mmHg y el agua hierve a 79 °C.
Determinar cuántos grados baja la temperatura de ebullición y explicar a qué se debe.
La diferencia de temperatura de ebullición y su causa.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Qué significa exactamente que un líquido «hierve»?
Eso sería descomponer el agua, no hervirla. Al hervir, las moléculas se separan unas de otras pero cada una sigue entera.
Cien grados es la temperatura de ebullición del agua y a presión atmosférica normal, dos condiciones que no siempre se cumplen. El dietil éter hierve a 34,6 °C, y el agua del Kilimanjaro a 79.
No son lo mismo. Un líquido se evapora por la superficie a cualquier temperatura; hervir es que se formen burbujas de vapor dentro del líquido, y eso solo pasa cuando la presión de vapor alcanza a la exterior.
Esa es la definición, y explica todo lo demás. Como la presión de vapor sube con la temperatura, basta con bajar la presión exterior para que el encuentro se produzca antes.
- 02
La caída de la temperatura de ebullición
COMP2¿Cuántos grados centígrados baja la temperatura de ebullición del agua en la cima respecto del nivel del mar?
un número entero, en grados centígrados — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Ese es el valor de la temperatura en la cima, no la caída. La pregunta es por la diferencia entre las dos.
Has restado las presiones, . La pregunta es por grados, no por milímetros de mercurio; las dos cosas están relacionadas pero no son proporcionales.
Los dos datos están en el enunciado, y la operación es una resta.
Desarrollo
- 03
Reconocer el camino
COMP1Una olla rápida trabaja a unas 2 atm. Siguiendo el mismo razonamiento, ¿qué le pasa al agua de dentro?
La temperatura de ebullición normal es una propiedad del líquido; la temperatura a la que hierve en un sitio concreto depende de la presión de ese sitio. Si no fuera así, la olla rápida no serviría para nada.
Se lo impide hasta cierta temperatura, no para siempre. La presión de vapor sube sin techo con la temperatura, así que siempre acaba alcanzando a la exterior.
Es el sentido contrario. Más presión exterior significa que la presión de vapor tiene que llegar más arriba para igualarla, y para eso hace falta más temperatura.
Exacto, y el temario da la cifra: unos 120 °C. La olla no cocina más rápido porque caliente más deprisa, sino porque permite que el agua líquida llegue a una temperatura que a presión normal sería imposible.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Mezcla dos cosas y ninguna funciona. La temperatura ambiente no entra en la definición de ebullición: lo que decide es la presión. Y si el argumento fuera cierto, meter una olla en el congelador haría hervir el agua antes.
El razonamiento, en orden
Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión exterior.
La presión de vapor de un líquido aumenta siempre al aumentar la temperatura.
En la cima la presión exterior es de 350 mmHg en vez de 760, así que el encuentro se produce antes: a 79 °C.
La caída es de 100 − 79 = 21 °C, y en una olla rápida a 2 atm ocurre lo contrario y el agua llega a unos 120 °C.
Resolución completa
La definición, que es lo único que hay que saber. Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión exterior. La temperatura de ebullición normal es el caso particular en que esa presión exterior son 760 mmHg.
Como la presión de vapor crece siempre con la temperatura, la consecuencia es inmediata: si bajas la presión exterior, el encuentro se produce a menos temperatura.
El número. En la cima del Kilimanjaro la presión es de 350 mmHg y el agua hierve a 79 °C, así que
La comprobación en el otro sentido. Una olla rápida trabaja a unas 2 atm, y ahí el agua hierve a unos 120 °C. Si el razonamiento del Kilimanjaro es el bueno, este sale solo y con el signo contrario: más presión exterior, más temperatura hace falta.
Y de paso explica por qué la olla cocina antes, que no es lo que la gente supone. No calienta más deprisa: permite que el agua líquida esté más caliente. A presión normal el agua no puede pasar de 100 °C sin evaporarse, así que la comida nunca ve más de esa temperatura.
Por qué esto está en el tema de propiedades y no en otro sitio. Porque la temperatura de ebullición de cada líquido —dietil éter a 34,6 °C, etanol a 78,3 °C, agua a 100 °C, todas a la misma presión— la decide la fuerza de sus fuerzas intermoleculares. El agua hierve la última de las tres porque es la única con enlaces de hidrógeno.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
Cuatro sustancias, y la pregunta que hay que hacer primero
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Cuatro sustancias sólidas se ensayan en el laboratorio y se anota lo que hacen:
| conduce en sólido | conduce fundida | T. de fusión | |
|---|---|---|---|
| A | no | sí | 801 °C |
| B | sí | sí | 1084 °C |
| C | no | no | −57 °C |
| D | no | no | 1610 °C |
Identificar el tipo de sólido de cada una.
El tipo de sólido de las cuatro sustancias.
- 01
Reconocer el camino
COMP1Con esta tabla delante, ¿cuál es la primera pregunta que hay que hacerse?
Exacto. Solo el metálico tiene electrones libres estando sólido. Es la pregunta que más separa de una vez, y por eso va delante.
Esa es la segunda pregunta, y solo tiene sentido para las que ya han dicho que no conducen en sólido. Hacerla primero mezcla metales e iónicos, que son los dos que conducen fundidos.
La solubilidad tiene demasiadas excepciones para decidir: hay iónicos insolubles, como el carbonato de calcio, y moleculares muy solubles, como el azúcar.
Sirve, pero separa peor: el iónico y el covalente reticular la tienen los dos alta, y los metales la tienen de todo — el mercurio funde a −39 °C y el wolframio a 3422 °C. Es una pista de segundo paso, no de primero.
- 02
Cuántas conducen fundidas
COMP2De las cuatro sustancias, ¿cuántas conducen la corriente estando fundidas?
un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Solo has contado la A. El metal también conduce fundido: al fundirse no pierde sus electrones libres, solo la red ordenada. Son dos, la A y la B.
Tres serían si el covalente reticular condujese, y no lo hace ni fundido: sus electrones están en enlaces localizados y no hay iones que se puedan mover.
Léelo en la tabla, columna «conduce fundida».
Desarrollo
La A y la B. Y esa columna es la que separa al iónico —que solo conduce cuando sus iones quedan libres, es decir fundido o disuelto— del covalente reticular y del molecular, que no conducen nunca.
- 03
La que no encaja en el molde
COMP2Una de las cuatro funde por debajo de cero. ¿Cuántos grados por debajo del punto de fusión de la sustancia iónica está?
un número, en grados — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has restado a 801 los 57 en vez de sumárselos. El −57 está por debajo de cero, así que la distancia hasta 801 es la suma de los dos.
Esa es la distancia hasta el covalente reticular, la D, que funde a 1610 °C. La sustancia iónica es la A.
De −57 a 0 hay 57 grados, y de 0 a 801 hay 801.
Desarrollo
Casi novecientos grados entre un sólido molecular y uno iónico, y no es casualidad: en el molecular se rompen fuerzas intermoleculares, y en el iónico hay que deshacer una red de enlaces. Ese salto de orden de magnitud es lo que hace de la temperatura de fusión una pista fiable entre esas dos familias.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena el argumento. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
No basta, y es el fallo que decide el ejercicio del examen. «La A conduce» y «la B conduce» son las dos ciertas y describen sustancias de familias distintas. Lo que identifica no es que conduzca, es cuándo: en sólido, solo el metal; solo fundido, el iónico.
El razonamiento, en orden
La B conduce en estado sólido, y eso solo lo hace el metálico: es cobre, que funde a 1084 °C.
La A no conduce en sólido pero sí fundida, que es la firma del iónico: sus iones solo se mueven cuando la red se deshace. Es cloruro de sodio.
La C no conduce nunca y funde a −57 °C, así que lo que se rompe al fundirla son fuerzas intermoleculares: es un sólido molecular.
La D no conduce nunca y funde a 1610 °C, así que lo que se rompe son enlaces covalentes de una red entera: es covalente reticular, como el cuarzo.
Resolución completa
Preguntar en el orden bueno
Las cuatro familias se separan con dos preguntas, y el orden importa porque la primera parte el conjunto en dos mitades desiguales:
- ¿Conduce en estado sólido? Si sí, es metálico y se acabó: es el único con electrones deslocalizados sin fundir nada.
- Si no, ¿conduce fundido? Si sí, es iónico: los iones existían ya, pero estaban presos en la red.
- Si tampoco, decide la temperatura de fusión. Baja —decenas o pocos cientos de grados— es molecular; muy alta es covalente reticular.
Aplicado a las cuatro:
| conduce sólido | conduce fundida | Tf | tipo | |
|---|---|---|---|---|
| A | no | sí | 801 °C | iónico (NaCl) |
| B | sí | sí | 1084 °C | metálico (Cu) |
| C | no | no | −57 °C | molecular |
| D | no | no | 1610 °C | covalente reticular (SiO₂) |
La distinción que se cobra puntos es la de las dos primeras columnas. Un enunciado que diga solo «conduce la electricidad» no permite decidir entre A y B, y por eso los exámenes de esta asignatura nunca lo dicen así: dicen «conduce fundido pero no en estado sólido», que es una frase entera con la respuesta dentro.
Y el matiz de la temperatura de fusión, que también cae: sirve para separar el molecular de los otros tres, pero no para ordenar un metálico frente a un iónico. Aquí el cobre funde por encima del cloruro de sodio, y con otro par de sustancias saldría al revés.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.