Por qué el oxígeno y el hidrógeno son compresibles, pero el agua apenas lo es

La fuerza entre dos átomos (que no reaccionan) viene dada aproximadamente por el potencial de Lennard-Jones, y éste varía con la separación de los átomos algo así:

(esta imagen es del artículo de la Wikipedia que he enlazado antes). En el diagrama el parámetro $\sigma$ puede pensarse como el tamaño del átomo, por lo que el valor en el eje $x$ de $r/\sigma = 1$ es el punto donde los átomos entran en contacto. Cuando los átomos están lejos hay una atracción muy ligera, pero tan pronto como los átomos entran en contacto hay una fuerte repulsión y es muy difícil empujar los átomos más cerca.

Tenga cuidado con tomar esto demasiado iterablemente como los átomos son objetos algo difusos y no tienen un tamaño exacto. sin embargo, el punto sigue siendo que hay una distancia entre los átomos en el que de repente empiezan a repeler fuertemente entre sí.

Ahora de vuelta a su pregunta. Para los gases casi ideales, como el oxígeno y el hidrógeno, a temperatura y presión estándar, un mol (es decir, moléculas de 6,023$ por 10^{23}$) ocupa unos 22,4 litros. Esto significa que el espacio medio entre las moléculas es de unos 3nm. El tamaño de una molécula de oxígeno es, a grandes rasgos (no son esféricas), de 0,3 nm, por lo que el espacio entre las moléculas es de unas 10 veces su tamaño. Eso está muy a la derecha en el gráfico de arriba, y significa que las fuerzas entre ellas son bajas y es muy fácil empujarlas juntas. Esta es la razón por la que los gases se pueden comprimir fácilmente.

Considere ahora el agua. Un mol de agua (0,018 kg) ocupa unos 18 ml, por lo que el espacio entre las moléculas del agua es de unos 0,3 nm, es decir, están en contacto unas con otras. Este es el punto en el que las moléculas empiezan a repelerse fuertemente, lo que dificulta su acercamiento. Por eso el agua no se comprime fácilmente.

Preguntas sobre la compresión de una mezcla de oxígeno e hidrógeno (sin reaccionar). Pues bien, si comprimes el oxígeno lo suficiente se licua, y la densidad del oxígeno líquido es de unos 1140 kg/m$^3$. Esto hace que el espacio entre las moléculas de oxígeno sea de unos 0,35 nm. Este espacio es más o menos el mismo que el tamaño de las moléculas de O$_2$, por lo que es difícil comprimir el oxígeno líquido. Se puede repetir este cálculo para el hidrógeno líquido (densidad de unos 71 kg/m$^3$) y se obtiene un resultado muy similar. En realidad, yo esperaría que el hidrógeno líquido fuera más comprimible que el oxígeno líquido y el agua porque la molécula de H$_2$ es significativamente más pequeña. Sin embargo, al buscar rápidamente en Google no se han encontrado valores para el módulo de volumen del hidrógeno líquido.

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