Probablemente has visto la fórmula química para el agua: H2O. Esa fórmula describe los elementos que componen el agua: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.
Cada uno de esos átomos está formado por partículas más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones están cargados positivamente y los electrones están cargados negativamente. Las partículas con carga similar se repelen entre sí, mientras que las que tienen carga opuesta se atraen (tipo de imanes similares). Cuando los protones y los neutrones se encuentran, a los electrones les gusta “orbitar” alrededor de los protones. Eso no es exactamente cómo funciona, pero es útil pensar de esa manera.
Muchas veces los átomos tienen el mismo número de electrones y protones, y cuando eso sucede, están “cargados de forma neutral”. Sin embargo, a veces no lo hacen y, cuando eso sucede, tienen una carga desequilibrada. Si tienen más protones que electrones, serán positivos y, por lo tanto, serán muy atractivos para los electrones. Si tienen más electrones que protones, serán negativos, por lo que esos átomos serán atractivos para los protones.
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El oxígeno es un átomo bastante grande, al menos en comparación con el hidrógeno. Tiene 8 protones, por lo que tiene 8 unidades de carga positiva que tiran de cualquier electrón que pueda pasar a comprar.
En el caso de nuestra molécula de agua, nuestro oxígeno no tenía suficientes electrones para neutralizar su carga. Solo tenía 6, lo que le daba una carga neta positiva de +2. Dado que el átomo de oxígeno es tan grande, y los átomos de hidrógeno son tan pequeños, cuando se acercaron entre sí, ese átomo de oxígeno atrapó los electrones de esos átomos de hidrógeno y los llevó a su propia órbita para neutralizar su carga. Sin embargo, los protones de esos átomos de hidrógeno aún estaban realmente atraídos por esos electrones, por lo que todavía están aferrados a ellos. Esto es lo que llamamos un enlace covalente.
Las X en este diagrama son los electrones que originalmente formaban parte de los hidrógenos. Los puntos rojos originalmente pertenecían al oxígeno. Los electrones se presentan en pares porque así es como tienden a organizarse (o al menos así es como pensamos en ellos), pero las razones para eso están más allá del alcance de esta respuesta.
Dado que el oxígeno tiene una fuerza más fuerte sobre esos electrones que los hidrógenos, los electrones tienden a colgar más cerca del átomo de oxígeno que de los átomos de hidrógeno. Si utilizara un “lector de carga mágica” que pudiera detectar qué tan positiva o negativa es una molécula, si la apunta al lado de los átomos de hidrógeno de la molécula, se leerá “ligeramente positiva”, y si apunta a la En el lado del oxígeno, se leería “ligeramente negativo”. Esto es lo que se llama un dipolo. Cada molécula de oxígeno tiene un lado + y un lado -.
¿Recuerdas lo que dijimos sobre los opuestos que atraen? Como las moléculas de agua son dipolos, los lados opuestos de cada molécula de agua se atraen entre sí.
¿Ves cómo ese hidrógeno de esa otra molécula es atraído a ese oxígeno? Piense en muchas y muchas moléculas de agua que desarrollan este tipo de disposición que forma estas estructuras de celosía masivas.
Una gran cantidad de comportamiento del agua se rige por este comportamiento a nivel molecular.
Entonces, ¿qué tiene todo esto que ver con el derretimiento del hielo?
Todo en el universo está vibrando, y esas vibraciones son lo que nosotros consideramos como “calor”. Cuanto más vibra más intensamente, más caliente está. Hay dos formas principales en que podemos hacer que algo vibre más rápido. La primera forma es tomar algo que vibra muy rápido y tocarlo con algo que vibre muy lentamente. Esas moléculas chocarán unas con otras y transferirán un montón de energía. El “rápido” perderá energía y se enfriará, mientras que el “lento” ganará energía y se calentará.
La otra forma es a través de la radiación. Si iluminas un objeto, parte de esa luz resonará con la frecuencia justa para que el objeto lo absorba. Cuando el objeto absorbe luz, comienza a vibrar más rápido.
¿Recuerdas lo que dije sobre esa estructura de celosía que hace el agua? Cuando el agua está realmente fría, todos esos enlaces bipolos de “lados opuestos de un imán” que mencioné son el juego más fuerte de la ciudad. Las moléculas no se mueven muy rápido, así que no hay nada lo suficientemente fuerte como para romper esos enlaces. Piensa en ello como tú y tus amigos tomados de la mano mientras estás parado.
Cuando empezamos a emitir radiación sobre ese hielo, y las cosas calientes y de alta energía comienzan a estrellarse contra nuestras moléculas de agua, comienzan a vibrar más rápido. Eventualmente, esas vibraciones se vuelven tan fuertes que los enlaces bipolares de los que hablamos ya no son lo suficientemente fuertes como para mantenerlos en esa estructura de celosía. Es como si tú y tus amigos comenzaran a correr en direcciones aleatorias. Eventualmente, te moverás tan fuerte que ya no podrás mantenerte el uno al otro y tu vínculo se romperá.
Cuando esas estructuras de celosía comienzan a romperse, observamos que el cambio se funde. El hielo se descompone en un líquido en lugar de un sólido. Si sigues calentándolo aún más, esas moléculas comienzan a moverse aún más y más y se convierten en gas.
Y eso es básicamente eso. A medida que las moléculas se vuelven más energizadas, su estructura de red dipolar que caracteriza su estado sólido se rompe y el material se vuelve más maleable, un estado que llamamos líquido. Espero que te haya ayudado a aclararlo. Gracias por la a2a Om Dubey.