Estados de la Materia

Estados de la Materia

Gases, Líquidos y Sólidos

ESTADOS DE LA MATERIA

Comparación

•

Gases

– Altamente compresibles

– Baja fuerza de interacción molecular (fuerza intermolecular) entre constituyentes

– Movimiento aleatorio de los constituyentes da la capacidad de fluir

– PV =nRT (gases ideales)

ESTADOS DE LA MATERIA

Comparación

•

Líquidos

– Muy baja compresibilidad

– considerable fuerza de interacción molecular (fuerza intermolecular) entre constituyentes

– Movimiento aleatorio limitado de los

ESTADOS DE LA MATERIA

Comparación

•

Sólidos

– Casi ninguna compresibilidad

– Alta fuerza de interacción molecular (fuerza intermolecular) entre constituyentes

CAMBIOS DE ESTADOS

•

Transiciones de fases

Fuerzas intermoleculares

Moléculas Polares

•

_{Interacción ion-dipolo}

– Moléculas polares (líquido polar) – Solvatación de iones

– interacción ion-dipolo

• Fuerza electroestática (coulómbica):

• Depende de:

– Distancia entre ion y molécula

– Magnitud de la carga del ion

– Si el radio iónico de la especie es pequeño, d será pequeño y mayor será la atracción intermolecular. – La solvatación de un sólido iónico es de caracter

exotérmico

F = kq1q2

Fuerzas intermoleculares

Moléculas Polares

Atracción débil

Desplazamiento electrónico bajo

Atracción fuerte

Desplazamiento electrónico alto solvatación de ion de

sodio

Fuerzas intermoleculares

Moléculas Polares

•

Interacciones dipolo-dipolo

– Caracter electroestático

– Estas interacciones junto con la masa molecular determinan cambios de fases.

– Ejemplo: Agua

• Puentes de hidrógeno

– H adquiere caracter “iónico”

Fuerzas intermoleculares

(van der Waals)

Moléculas No-Polares

•

Interacciones dipolo-dipolo inducido

– Una molécula polar induce un momento dipolar (polariza) en otra molécula que no tenga dipolo permanente. Ejemplo:

– Esta interacción permite la solubilidad de O₂ en H₂O

Fuerzas intermoleculares

(van der Waals)

Moléculas No-Polares

•

Interacciones dipolo inducido-dipolo

inducido (Fuerzas London)

– Es la interacción mas débil

Igual

distribución electrónica

Debido al movimiento correlacionado de

electrones, las moléculas se acomodan para

minimizar energías Atracciones y

repulsiones

momentaneas entre electrones y núcleos de las moléculas, delocalizan los electrones

Propiedades de los Líquidos

•

Tensión Superficial

– Energía necesaria para atravesar la superficie líquida

– Es determinada por las fuerzas que las moléculas de la superficie experimentan

Fuerzas Intermoleculares actuando sobre molécula

Propiedades de los Líquidos

•

Capilaridad

– Determinada por la tensión superficial

– Capacidad de un líquido de subir o bajar por un tubo capilar.

– Depende de la diferencia entre la fuerza de cohesión y la fuerza de adhesión.

• fc > fa, líquido baja. Ej Mercurio

• fc < fa, líquido sube. Ej H₂O

Propiedades de los Líquidos

•

Viscosidad

– Resistencia que presenta un líquido a fluir.

– Depende del tamaño de las moléculas que

constituyen el líquido y la fricción intermolecular de éstas.

Propiedades de los Líquidos

•

Cambio de fase

Líquido Vapor

– Evaporación

• Depende de la temperatura

• Moléculas escapan a la fase gaseosa

• Proceso endotérmico

Vaporización o ebullición

Propiedades de los Líquidos

•

A mayor temperatura mayor número de

Propiedades de los Líquidos

– Evaporación

• Presión de Vapor

– Es la presión que ejerce las moléculas que escapan de la fase líquida

– Se establece un equilibrio dinámico entre la fase líquida y la fase gaseosa

Mientras mayor sea la presión de vapor de un líquido a una temperatura dada, mayor será su

Propiedades de los Líquidos

PROBLEMA 1

Un envase abierto con 2.00 L de H₂O se coloca en un cuarto

sellado que mide 4.25 x 104 _{L y tiene una temperatura de 25} o_C.

Si la densidad de agua a esta temperatura es de 0.997 g/mL y su presión de vapor es de 23.8 mm Hg, qué por ciento del agua se evaporará?

Hint: solo se evaporará la cantidad de agua que produzca una presión de vapor de 23.8 mm Hg!

1 atm = 760 mm Hg

Propiedades de los Líquidos

SOLUCION PROBLEMA 1

Escaparán la cantidad de moléculas que a la temperatura dada generen una presión de 23.8 mm Hg sobre el contenedor.

P = 23.8 mm Hg(1 atm/760 mm Hg) = 0.0313 atm T = 273 K + 25 o_{C (1 K/}o_{C)= 298 K}

Usando: PV = nRT

n = 0.0313•4.25 x 104_{/(0.082•298) = 54.44 mol de agua}

Masa de agua = 5.44 mol* 18 g/mol = 979.92 g Masa inicial de agua = 2 L * (997 g/L) = 1994 g

Propiedades de los Líquidos

•

Cambio de fase

– Entalpía de vaporización molar (DHo

vap)

• Es la energía que se requiere para que una cantidad dada de una sustancia pase de la fase líquida a la fase gaseosa.

Propiedades de los Líquidos

PROBLEMA 2

Cuánta energía es necesaria para evaporar 925

mL de agua a 100

_C?

DH

vap

= +40.7 kJ/mol a 100

C

Propiedades de los Líquidos

SOLUCION PROBLEMA 2

Si a 100 o_{C necesito suplir 40.7 kJ por cada 1 mol de agua, cuanto}

energía necesito para los moles que tengo en 925 mL de agua?

Mol de agua = 925 mL(.958 g/mL)(1 mol/18 g) = 49.23 mol

Propiedades de los Líquidos

•

Correlación entre temperatura y presión

Propiedades de los Líquidos

PROBLEMA 3

a) 615 mm Hg para CS₂ y 80 mm Hg para CH₃NO₂

b) CS₂ es compuesto molecular no polar; por tanto, fuerza

intermolecular será tipo london.

CH₃NO₂ es compuesto molecular polar, por tanto; fuerzas dipolo-dipolo.

c) 48 o_{C para CS}

2 y 95 oC para

CH₃NO₂ d) 40 o_C

Propiedades de los Líquidos

•

Ecuación de Clausius-Clapeyron

– Relaciona el cambio en presión de vapor con el cambio en temperatura.

Donde:

R = 8.31 J/K•mol

C = constante característica del líquido.

ln

P

=

-D

H

o

Propiedades de los Líquidos

•

Ecuación de Clausius-Clapeyron

– La ecuación corresponde a una línea recta con pendiente negativa.

• lnP = y

• m = DHo

vap/R

• x = 1/T

• c = b

Propiedades de los Líquidos

PROBLEMA 4

Calcule la entalpía de vaporización de un compuesto cuya presión de vapor es de 57 mm Hg a -22.8 o_{C y 534 mm Hg a 25} o_C.

lnP₂ -lnP₁ = -DHvap o

RT₂ +C -(

-DH_vapo

RT₁ +C)

ln P2

P₁ =

DH_vapo

R (

-1

T₂ +C+

1

T₁ -C)

ln P2

P₁ =

DH_vapo

R (

1

T₁

-1

T₂ )

DH_vapo = Rln P2

P₁ (

T₂T₁ T₂ -T₁)

DH_vapo ₌

8.31×ln 57 534(

250.2×298 250.2-298)

DH_vapo ₌

Propiedades de los Líquidos

•

Punto de Ebullición

– Presión de vapor iguala la presión externa

– Aparecen estados gaseosos dentro del líquido

Propiedades de los Líquidos

•

Punto de Ebullición Normal

Condiciones gaseosas dentro del líquido

Propiedades de los Líquidos

Propiedades de los Líquidos

PROBLEMA 5

a) Gaseoso

b) Sólido

c) 380/760 = 0.5 atm T = -117.5 o_C

d) 0.25 atm

Propiedades de los Líquidos

•

fluído supercrítico

– Cuando las condiciones de presión y temperatura de algún fluído exceden cierto valor las

propiedades de dicho fluído cambian.

– Un nuevo estado que es como un líquido sin las fuerzas intermoleculares

Propiedades de los Líquidos

•

Diagrama de fase y fluído supercrítico

Propiedades de los Sólidos

Tipos de sólidos

Molecular – fuerzas intermoleculares

Iónico – atracción electroestática

Metálico – atracción electroestática

Propiedades de los Sólidos

Sólido molecular

– Sus constituyentes son moléculas

– Se forman por fuerzas de dispersión (london), dipolo-dipolo y/o puentes de hidrógeno.

– tienen punto de fusión bajo o moderado

Propiedades de los Sólidos

Sólido iónico

– Sus constituyentes son iones

– Se forman por fuerzas de atracción

electroestáticas entre los anión y catión

– Son duros, quebradizos y con punto de fusión alto

Propiedades de los Sólidos

Sólido metálitco

– Sus constituyentes son iones de metal y electrones

– Se forman por fuerzas de atracción electroestática entre los cationes metálicos y el mar de electrones delocalizados que los rodean

– Rango variado de dureza y punto de fusión, son maleables y dúctiles.

Propiedades de los Sólidos

Sólido covalente

– Sus constituyentes son átomos

– Se forman por enlaces covalentes (compartir electrones)

– variado rango de dureza. Es el sólido mas duro

Propiedades de los Sólidos

•

Clasificasión

• Sus constituyentes forman un patrón que se repite. Las fuerzas intermoleculares se mantienen en toda la

muestra.

– Amorfo

• Sus constituyentes no forman un patrón que se repite. Las fuerzas intermoleculares varían en la muestra.

Propiedades de los Sólidos

•

Sólido cristalino

– Celda Unitaria: Unidad de volumen más pequeña que contiene todas las características del patrón del cristal.

Celda unitaria de un gato Celda unitaria de dos gatos Cualquier punto que se

pueda utilizar para establecer el patrón de celdas unitaria se llama

Propiedades de los Sólidos

•

Sólido cristalino

– La celda unitaria está determinada por la cantidad de constituyentes (átomos, iones o moléculas) y la posición relativa entre éstos (largos y ángulos que los separan)

Propiedades de los Sólidos

•

Sólido cristalino

– Existen siete tipos de celdas unitarias

Propiedades de los Sólidos

Propiedades de los Sólidos

•

Empaques

– Molecular y metálico

• Empaque de átomos o moléculas no polares donde las fuerzas entre los constituyentes son de tipo london. Empaque de esferas

– Empaque con patrón ABA, resulta en un “hexagonal close-packed” (hcp)

– Empaque con patrón ABC, resulta en “cibic close-packed” (ccp)

Propiedades de los Sólidos

Empaque de esferas

Propiedades de los Sólidos

Propiedades de los Sólidos

•

Empaques

– Iónico-La mayoría ocurre tomamondo una cúbica primitiva o una “face-centered cubic” formada

algún ion y ponemos el ion opuesto en los huecos.

Propiedades de los Sólidos

•

Empaques

Propiedades de los Sólidos

•

Empaques

Propiedades de los Sólidos

•

Empaques

– Covalente – El empaque covalente es como una molécula gigante ya que todos los constituyentes de la celda unitaria estan enlazados

Propiedades de los Sólidos

PROBLEMA 6

Óxido de magnesio tiene un celda unitaria “face-centered cubic” con los iones de magnesio en los hueco

octahedrales. Si el radio del ion magnesio es de 79 pm y la densidad de MgO es 3.56 g/mL, Cuál es el radio del ion óxido?

Estrategía:

a)Determinar las unidades MgO que podemos encontrar en la celda