Liquids: Crash Course Chemistry #26

Summary

El guion explora la naturaleza peculiar de los líquidos, destacando que son raros y poco comunes. Solo dos elementos son líquidos a temperatura ambiente: el bromo y el mercurio. Se explican las fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de dispersión de Londres, las fuerzas dipolo-dipolo y los enlaces de hidrógeno, que son fundamentales para la existencia de las fases de la materia. Estas fuerzas, aunque débiles, son esenciales para la cohesión y la adherencia, y son responsables de propiedades como la viscosidad, la acción capilar y la tensión superficial en los líquidos.

Takeaways

• 🧪 Los líquidos son considerados raros porque no tienen una forma definida y son relativamente poco comunes en comparación con los sólidos y los gases.
• 🌡 Solo dos elementos conocidos, el bromo y el mercurio, son líquidos a temperatura ambiente, aunque algunos otros se vuelven líquidos casi a temperatura ambiente.
• 🔍 Los líquidos son formados por la interacción de partículas a través de fuerzas intermoleculares, que son más débiles que las fuerzas que causan enlaces iónicos o covalentes entre átomos.
• 🔬 Las fuerzas de dispersión de Londres son las fuerzas intermoleculares más débiles y son importantes para que las sustancias no polares se condensen en líquidos.
• 🧲 Las fuerzas dipolo-dipolo ocurren entre moléculas polares y se basan en la atracción o repulsión de las cargas parciales en estas moléculas.
• 💧 Los enlaces de hidrógeno son un tipo especial de fuerza dipolo-dipolo que ocurre en moléculas polares que contienen hidrógeno y un elemento electronegativo fuerte como nitrógeno, oxígeno o flúor.
• 🌡 La energía cinética y la temperatura juegan un papel crucial en la transición de una fase a otra, permitiendo que las partículas superen las fuerzas intermoleculares y cambien de estado.
• 💧 Las propiedades de los líquidos, como la cohesión y la viscosidad, son resultado de las fuerzas intermoleculares y la energía cinética de las partículas.
• 🌊 La tensión superficial de los líquidos se debe a la cohesión entre las partículas, que tienden a formar la forma más compacta posible, como es el caso de las gotas esfericas.
• 🌀 La acción capilar y la adhesión son fenómenos que se observan en los líquidos en contacto con un contenedor, donde las partícules del líquido pueden ser más atraídas entre sí o hacia el material del contenedor.

Q & A

¿Por qué son tan raras las sustancias líquidas?

Las sustancias líquidas son raras porque no tienen una forma definida y su existencia es menos común que la de sólidos o gases. Solo dos elementos conocidos son líquidos a temperatura ambiente: el bromo y el mercurio.

¿Qué es el gallio y por qué es interesante?

El gallio es un metal frágil y no tóxico que se encuentra en la posición 31 de la tabla periódica. Es interesante porque se derrite a 10 grados por encima de la temperatura ambiente, lo que significa que puede derretirse en la palma de la mano.

¿Qué son las fuerzas intermoleculares y por qué son importantes?

Las fuerzas intermoleculares son las interacciones entre moléculas y átomos dentro de una sustancia. Son importantes porque son las que mantienen las fases de la materia y permiten que las sustancias cambien de una fase a otra.

¿Cuáles son los tipos principales de fuerzas intermoleculares?

Los tipos principales de fuerzas intermoleculares son las fuerzas de dispersión de Londres, las fuerzas dipolo-dipolo y los enlaces de hidrógeno.

¿Qué son las fuerzas de dispersión de Londres y en qué sustancias son más comunes?

Las fuerzas de dispersión de Londres son las más débiles de las fuerzas intermoleculares y se basan en la agrupación temporal de electrones dentro de las moléculas. Son más comunes en gases nobles y en moléculas no polares como el dióxido de carbono o aceites.

¿Qué son las fuerzas dipolo-dipolo y cómo afectan a las moléculas polares?

Las fuerzas dipolo-dipolo ocurren entre moléculas polares que tienen separación de cargas. Estas fuerzas se producen cuando las cargas parciales en las moléculas se atraen o repelen entre sí, orientándose para maximizar la atracción y minimizar la repulsión.

¿Qué es un enlace de hidrógeno y cómo se diferencia de otros tipos de enlaces?

Un enlace de hidrógeno es un tipo especial de fuerza dipolo-dipolo que ocurre en moléculas polares que contienen hidrógeno y un elemento electronegativo como el nitrógeno, el oxígeno o el flúor. Son fuertes interacciones entre moléculas, aunque no son enlaces químicos en el mismo sentido que los enlaces iónicos o covalentes.

¿Cómo afectan las fuerzas intermoleculares la transición entre las fases de la materia?

Las fuerzas intermoleculares afectan la transición entre las fases de la materia al permitir que las partículas gane o pierdan energía cinética. Si las partículas adquieren suficiente energía térmica, pueden superar algunas de estas fuerzas y fluir más libremente, formando un líquido. Si adquieren aún más energía, pueden escapar de la superficie del líquido y formar un gas.

¿Qué es la tensión superficial y cómo se manifiesta en los líquidos?

La tensión superficial es el efecto de la atracción o cohesión entre las moléculas de un líquido, que tiende a formar la forma más compacta posible, como una esfera. Cuando un líquido no puede formar una esfera perfecta, su borde libre se curvará para acercarse a ese estado esférico, lo que se puede observar al sobrellevar un vaso de agua.

¿Qué es la acción capilar y cómo se relaciona con la cohesión y la adhesión?

La acción capilar es el fenómeno por el cual un líquido se eleva espontáneamente en un tubo capilar. Esto sucede en parte porque las moléculas del líquido fuera del tubo están atraídas por las moléculas dentro del tubo, siguiendo su atracción. La acción capilar también depende de la adhesión, que es la atracción de las moléculas del líquido hacia el contenedor.

Outlines

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🤔 La Extraña Naturaleza de los Líquidos

El primer párrafo explora la peculiaridad de los líquidos, que no tienen una forma definida y son raros en comparación con los sólidos y los gases. Se menciona que solo dos elementos son líquidos a temperatura ambiente y se introduce el gallio, un metal que se derrite en la palma de la mano. Además, se habla de las fuerzas intermoleculares que son fundamentales para la existencia de líquidos y sólidos, y se explica cómo estas fuerzas afectan la transición entre estados de la materia.

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🔬 Fuerzas Intermoleculares y sus Efectos

El segundo párrafo se centra en las fuerzas intermoleculares, como las fuerzas de dispersión de Londres, las fuerzas dipolo-dipolo y los enlaces de hidrógeno. Se describe cómo estas fuerzas afectan la cohesión entre las moléculas y dan lugar a propiedades como la tensión superficial, la viscosidad y la acción capilar. Se explica que estas fuerzas son relativamente débiles, lo que permite que las sustancias cambien de un estado a otro con relativa facilidad.

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🎓 Resumen de Física y Química de los Líquidos

El tercer párrafo proporciona un resumen de los conceptos clave presentados en el video, como las fuerzas intermoleculares y sus efectos en las propiedades de los líquidos. Se menciona la cohesión y la adhesión, y cómo estas fuerzas causan comportamientos únicos en los líquidos. Además, se reconoce al equipo detrás de Crash Course Chemistry y se invita a los espectadores a participar en la discusión sobre por qué los líquidos son más raros que los sólidos y los gases.

Keywords

💡Líquidos

Los líquidos son un estado de la materia que no tiene una forma fija y se pueden cambiar de volumen pero no de forma. En el video, se discute lo peculiar de los líquidos, como su falta de forma y su rareza en comparación con los sólidos y los gases. El guía del video incluso menciona que solo dos elementos son líquidos a temperatura ambiente: bromo y mercurio.

💡Fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las que mantienen unidos a los átomos y moléculas dentro de un compuesto. Estas fuerzas son fundamentales para entender la existencia de los estados de la materia, como se explica en el video. Se mencionan tres tipos principales: fuerzas de dispersión de Londres, fuerzas dipolo-dipolo y enlaces de hidrógeno.

💡Fuerzas de dispersión de Londres

Las fuerzas de dispersión de Londres son las más débiles de las fuerzas intermoleculares y se basan en la formación temporal de áreas con cargas negativas y positivas dentro de las moléculas. Estas fuerzas son cruciales para que las sustancias no polares como el metano se condensen en líquidos, como se describe en el video.

💡Fuerzas dipolo-dipolo

Las fuerzas dipolo-dipolo ocurren entre moléculas polares, donde las cargas parciales positivas y negativas se atraen entre sí. En el video, se usa el ejemplo de la bromuro de hidrógeno para ilustrar cómo estas fuerzas mantienen juntas las moléculas.

💡Enlaces de hidrógeno

Los enlaces de hidrógeno son un tipo especial de fuerzas dipolo-dipolo que ocurren en moléculas polares que contienen hidrógeno unido a átomos electronegativos como el nitrógeno, el oxígeno o el fluor. Estos enlaces son más fuertes que las fuerzas de dispersión de Londres y las fuerzas dipolo-dipolo, y son fundamentales para las propiedades únicas del agua, como se menciona en el video.

💡Cohesión

La cohesión es la atracción entre las partículas de una sustancia, lo que les permite formar un estado sólido o líquido. En el video, se explica cómo la cohesión es la razón por la cual los líquidos tienden a tomar la forma más compacta posible, como una esfera, y también es la causa de la tensión superficial en el líquido.

💡Viscosidad

La viscosidad es la resistencia que ofrece un líquido al flujo. Se mide por la cohesión entre las moléculas, y en el video se menciona que líquidos con fuerzas intermoleculares fuertes, como el miel, tienen una alta viscosidad, lo que les hace fluir lentamente.

💡Acción capilar

La acción capilar es el movimiento de un líquido en un tubo muy delgado, como el ascenso del líquido en el tubo debido a la cohesión y la adhesión. En el video, se explica cómo la atracción entre las moléculas del líquido y las paredes del tubo puede hacer que el líquido se eleve en el tubo.

💡Tensión superficial

La tensión superficial es la fuerza por la cual las moléculas en la superficie de un líquido tienden a acercarse para minimizar la superficie expuesta, lo que puede hacer que el líquido forme una curvatura en el borde. En el video, se menciona cómo la tensión superficial es tan fuerte en el agua que puede sostener objetos pequeños como clips de papel.

💡Estados de la materia

Los estados de la materia son las formas en que puede existir la materia, como sólidos, líquidos y gases. El video explora cómo las fuerzas intermoleculares influyen en la transición de un estado a otro, y cómo la energía cinética y el calor juegan un papel crucial en estas transiciones.

Highlights

液体没有固定形状的特性非常奇特。

液体种类相对较少，常见的如果汁、牛奶和血液。

大多数液体实际上是溶解在水中的物质。

室温下只有两种元素是液态：溴和汞。

镓是一种在体温附近就会熔化的金属。

液体、固体和气体之间的转换与分子间的相互作用力有关。

伦敦色散力是分子间最弱的相互作用力。

偶极-偶极作用力是极性分子间的相互作用。

氢键是偶极-偶极作用力的一种，特别强。

物质的状态变化与分子的动能有关，动能可以由热能提供。

液体的分子间距离较近，但比固体更自由。

液体的表面张力使得它们倾向于形成最紧凑的形状。

粘度是液体流动时分子间阻力的度量。

毛细作用是液体在狭窄管道中上升的现象。

液体的内聚力和附着力共同影响其在容器中的行为。

液体的稀有性可能与其分子间相互作用力的特性有关。

Transcripts

At the risk of sounding like I'm on drugs, aren't liquids like, super weird?

Like, the idea that there is stuff out there that doesn't have a shape?

How did they get away with not having a shape?!

And there aren't that many of them. Like, name a liquid.

My first thoughts were juice, milk and blood, and it's weird that I went from milk to blood, but not that weird!

They're both produced by the body, and both were consumed in great quantities by the Mongols.

[Mongoltage]

I've gotten off-topic; my point is that all those things are just stuff dissolved in water.

The only pure non-water liquid that the average person in pre-modern times would run into

would be liquid fats, produced only by plants and animals.

Liquids are super weird and super rare.

Only 2 of the 100-something known elements are liquid at room temperature -- bromine and mercury.

Though there are a few that are nearly liquid at room temperature.

Check this out; this is a little nugget of gallium that I got on eBay.

Number 31 on the periodic table, gallium is a non-toxic brittle metal, not very useful.

When it is 10 degrees above the temperature of this room, it will melt.

Don't believe me?

Well, you probably do, but if you don't, if I wait long enough, this will actually melt in the palm of my hand,

but I don't want to wait for that, so what's warmer than the palm of my hand?

Everyone, I'm going to put this gallium in my mouth.

It's cold right now. I really hope I don't accidentally break the Saran wrap.

It's gonna take a little while for all the heat from my mouth to get into that little nugget,

but every solid has a temperature and a pressure at which it will melt and become a liquid.

Diamonds are liquid at 3,600 degrees Celsius.

And every gas, likewise, has a temperature and a pressure at which it will condense into a liquid.

Titan is so cold that methane is liquid on its surface.

It falls as rain and runs through riverbeds into methane seas.

Also, I should've mentioned that I'm a trained professional idiot.

Do not do this at home. This is an extremely weird feeling.

It's starting to liquefy in my mouth, and it's like water, but way heavier.

It's like, rea--it's metal, so it's heavy.

OK, I think, I feel like it's totally done now.

So there we have it. Liquid gallium.

Suddenly, the power of my body and it becomes how liquids are really weird, right?!

Like, gallium, what the heck are you even thinking?

[Theme Music]

So it's time now to actually figure out for ourselves what's happening at a particle level

that makes liquids liquid.

First, we have to consider that no molecule is an island.

Molecules and atoms interact with each other within substances.

It's happening because of what we call "intermolecular forces."

They're weaker than the forces that cause ionic or covalent bonds between atoms.

That's why molecular substances like ice and water can be physically broken or separated into portions,

while only a chemical reaction can break apart the molecules themselves,

like how water can be split into hydrogen and oxygen using electricity.

But, do not get me wrong, here. I'm not saying that intermolecular forces aren't important.

On the contrary, liquids and solids could not exist without them.

There are basically 2 main types of intermolecular forces.

There may be 3, depending on how you count them.

The first is called "London dispersion forces," which are most common in London.

I'm lying to you; they're named for the physicist Fritz London.

These are the weakest of the intermolecular forces

because they are based on the temporary clustering of electrons that takes place inside of molecules.

They are most notable in noble gases like helium and neon,

and non-polar molecules like carbon dioxide or any kind of oil.

And it's not that London dispersion forces are especially strong in these substances,

it's just that there's nothing else holding them together, so even these tiny forces are noticeable in them.

So what makes them work?

Occasionally, in the course of their movements around their individual nuclei,

electrons in a molecule become clustered together.

The region where they cluster briefly acquires a slight negative charge,

while other regions in the molecule experience a slight positive charge.

Those positive and negative charges, although small, are strong enough to affect other nearby molecules.

The positive side of the molecule attracts electrons on adjacent molecules,

while the negative side repels any electrons that are close to it.

These individual attractions are extremely weak and don't last very long

because the clustering of electrons itself is short-lived,

but the overall effect of this force is super important.

London dispersion forces are the only thing that makes non-polar substances

like methane and even otherwise non-reactive stuff like helium

stick together well enough to condense from gases into liquids.

And we should all remember the lesson of London dispersion forces:

small, weak things can have important jobs, too!

Which makes it sound like I think London is small and weak.

I don't; London is awesome.

The other main type of intermolecular forces are "dipole-dipole forces."

As you should recall from our lesson on polar and non-polar molecules, a dipole is a separation of charges,

like areas of partial positive and partial negative in a polar molecule such as water.

Dipole-dipole forces occur when the partial charges in these molecules attract or repel each other.

The molecules orient themselves so that the attraction is maximized and the repulsion is minimized.

It's like 2 colleagues whose very different personalities improve each other's work, like Holmes and Watson.

They’re a great team, even though they get on each other's nerves.

For instance, partial charges occur in hydrogen bromide

because the electrons are more attracted to the bromide than they are to the hydrogen.

But the negative charges around the bromines are attracted to

the positive charges around the hydrogens on other hydrogen bromide molecules,

and that helps to hold the molecules close to each other.

Then, there's hydrogen bonding, a special type of dipole-dipole force,

one that occurs on polar molecules that contain hydrogen

and a strongly electronegative element such as nitrogen, oxygen, or fluorine.

Because of the very small size of the hydrogen atom and the extreme attraction of its electron to those other atoms,

the dipoles in these molecules are extra strong, so we actually it a bond.

Really though, hydrogen bonds aren't chemical bonds in the same sense that ionic and covalent bonds are,

but they are the strongest interactions that occur between molecules.

Water, for example, is very well-known for its tendency to form hydrogen bonds.

These intermolecular forces, while relatively weak, are why phases of matter exist,

and, in fact, it's the relative weakness of these forces that allows a substance to change

from one phase to another fairly easily.

So, the molecules of a solid are just stuck in one spot, spinning and vibrating.

Intermolecular forces are what's holding them there.

But there are always ways to break free.

What phase a material is in has a lot to do with its kinetic energy, and kinetic energy can come from heat.

So, if enough thermal energy is added to a solid, the kinetic energy of the particles increases enough

to allow them to overcome some of those intermolecular forces and flow more freely.

This is the liquid state.

Like, I can smash some ice with a hammer all day if I want to to break it into smaller and smaller pieces,

but only a big enough increase in heat will change its kinetic energy enough to make it change phases and become water.

The particles in a liquid are still pretty close together, though.

Both liquids and solids are known as "condensed states" because there's a lot of interaction among the molecules.

But, if the particles in a liquid acquire enough kinetic energy to escape the surface of the liquid,

usually by absorbing thermal energy, those freed particles comprise a gas.

And the particles in a gas experience intermolecular forces, too,

it's just that the forces are far weaker than in the condensed states,

so they allow them to spread much further apart and interact very little.

Because the gas particles are so far apart, gases have low density and are highly compressible.

Conversely, the particles in a solid are very close together,

so they have high density and can be compressed only a teeny tiny bit, even under huge amounts of pressure.

Obviously, liquids fall between these 2 extremes, but they're much more similar to solids than to gases.

Most liquids are less dense and more compressible than their corresponding solids, but only slightly so.

Makes sense when you think about it,

because the amount of energy it takes to move particles just far enough apart that they can flow past each other is

much less than the energy needed to separate them completely.

Now, the attraction or "cohesion" between the molecules in liquids give them some important properties.

For one thing, because all of the particles are pulled toward the others,

they tend to merge into the most compact shape possible, which, just floating in the air, is a sphere.

But when a liquid can't form a perfect sphere because it's not in space,

like when it's resting on a surface or filling a container,

its free edge will curve as much as possible to approach that spherical state.

This is easy to observe by overfilling a glass of water.

Liquid will pile up on top as long as it can,

until the weight of the water is greater than the intermolecular forces holding it in place.

The overall effect of this behavior -- called "surface tension" --

is so strong in water that small objects like paper clips can actually rest on top of it.

Cohesion manifests itself in other ways, too.

For example, in molecules with very large intermolecular forces -- like the molecules in honey,

which have tons of oxygens and hydrogens just itching to form hydrogen bonds with each other --

the cohesion is so great that it makes the liquid flow very slowly.

That resistance to flow is called "viscosity," and you can see it in liquids like honey, syrup, oils, glycerol.

A third effect of cohesion can be observed by placing one end of a very narrow tube, called a "capillary tube" in a liquid.

If the liquid isn't too viscous, it will spontaneously rise into the tube.

This is called "capillary action," and happens partly

because the molecules of liquid that are outside the tube are attracted to the ones that are inside of it,

so they sort of follow them in.

The capillary action also depends on another phenomenon known as "adhesion,"

or the attraction of molecules in the liquid to the container.

The liquid can't rise in the tube if it's too attracted to itself.

It must also be attracted to the glass, causing it to cling to the sides.

If the molecules in the liquid are more attracted to the container than each other,

they will form a concave meniscus or a crescent-shaped curve at the surface as we see here with water in glass.

And if the molecules in the liquid are more attracted to each other than to the container,

as is the case with mercury and glass, they'll form a convex meniscus.

So, once again, mystery is answered.

The bizarre reality of liquids understood at the most basic level.

Final question for you all, an opportunity to use your critical thinking skills:

Why, do you think, are liquids so much more rare than solids and gases? Discuss in the comments.

And thank you for watching this episode of Crash Course.

If you paid attention, you learned that intermolecular forces,

including London dispersion forces, dipole-dipole forces,

and hydrogen bonds attract molecules to each other, especially in solids and liquids.

You learned about some of the effects of these forces, like cohesion, where one substance is attracted to itself,

and adhesion, where it's attracted to something else,

and that those effects cause some unique behaviors in liquids, like viscosity, capillary action, and surface tension.

This episode of Crash Course Chemistry was written by Edi Gonzalez.

The script was edited by Blake de Pastino, and our chemistry consultant was Dr. Heiko Langner.

It was filmed, edited and directed by Nicholas Jenkins.

Our script supervisor is Katherine Green, and our sound designer is Michael Aranda,

and, of course, our graphics team is Though Café.