Estados de agregación. Tema 4

1

Estados de agregación

Tema 4

Propiedades de los líquidos

Base molecular de la tension superficial

Tension superficial es la cantidad de energía requerida para aumentar el área de un líquido en una unidad de área.

Fuerzas

intermoleculares fuertes

elevada tension superficial

Las moléculas interiores

experimentan

atracciones iguales en todas direcciones

Las moléculas de la superficie

experimentan una fuerza neta hacia adentro

11.3

Propiedades de los líquidos

Tensión superficial y fuerzas entre partículas

Sustancia Fórmula

Tensión superficial

(J/m²) at 20⁰C Fuerzas principales

eter dietílico etanol

butanol agua mercurio

dipolo-dipolo; dispersion enlace H

enlace H; dispersion enlace H

enlace metálico 1,7x10^-2

2,3x10^-2 2,5x10^-2 7,3x10^-2 48x10^-2 CH₃CH₂OCH₂CH₃

CH₃CH₂OH

CH₃CH₂CH₂CH₂OH H₂O

Hg

11.3

Propiedades de los líquidos

Fuerzas de cohesión: son las fuerzas intermoleculares que unen moléculas similares unas a otras.

Fuerzas de adhesión: son las fuerzas intermoleculares que unen una sustancia a una superficie.

Adhesión

Cohesión

menisco

F_adhesión > F_cohesión

F_cohesión >> F_adhesión

11.3

Propiedades de los líquidos

fuerzas adhesivas

fuerzas cohesivas

fuertes

agua mercurio

11.3

Propiedades de los líquidos

Viscosidad es la resistencia a fluir que presenta un líquido

Fuerzas

intermoleculares fuertes

elevada viscosidad

11.3

Propiedades de los líquidos

Viscosidad del agua a varias temperaturas

Temperature (⁰C)

Viscosity (N*s/m²)*

20 40

60 80

1.00x10^-3 0.65x10^-3 0.47x10^-3 0.35x10^-3

La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura (^ºC)

11.3

Estructura de los sólidos

Estructura Fractura Propiedades

Regular y repetida.

Las partículas vibran en torno a posiciones fijas en sus estructuras. Forman cristales.

No tienen estructuras

ordenadas y bien definidas.

Carecen de distribución tridimensional regular.

Ej. Vidrio.

Regular. Fragmentos de caras planas, por lo que los fragmentos mantiene similares ángulos

interfaciales y características estructurales.

Irregular, dando bordes dispares y ángulos

irregulares.

Puntos de fusión bien definidos.

Anisótropos.

Son estables

Pueden fundir a temperaturas diferentes en las

diversas porciones de la muestra, al irse venciendo las diferentes fuerzas intermoleculares.

Menos estables.

Amorfos Cristalinos

Ion Átomo Átomo Molécula Unidad

estructural

Clasificación de los sólidos

Iónico Metálico Molecular

Tipo de sólido

Enlace iónico Enlace metálico Enlace covalente Fuerzas V der W o enlace de H.

Enlace entre unidades

Duro Amplia gama Duro Blando

Dureza

Amplia gama (-39 a 3400 ºC)

Alto Alto

(1200 a 4000 ºC)

Aislante Punto de

fusión

Aislante Conductor Aislante o

semiconductor Conductividad

Compuestos de metales y no metales

Metales de la

mitad izquierda No metales

del centro No metales de la derecha Generalmente

se presenta en

KI, Na₂CO₃, LiH Na, Zn, bronce Diamante, Si, SiO₂ O_2(s), I₂, H₂O_(s) Ejemplos

Bajo

(-272 a 400 ºC) Covalente 3D

Cambios de fase

Una fase es una parte homogenea del sistema en contacto con otra parte del sistema pero separada de ella por un límite bien definido.

2 fases

1 fase sólida: hielo 1 fase líquida: agua

11.7

Cambios de fase: cambio físico donde cambia el orden molecular

Paso a un estado menos ordenado

Δ^{H > 0}

ENDOTÉRMICO

Paso a un estado más ordenado

Δ^{H < 0} EXOTÉRMICO

Mayor orden Menor

orden

Cambios de fase. Aspectos cuantitativos

Calentamiento de una sola fase de una temperatura a otra.

Durante un cambio de fase, la temperatura permance

constante porque la energía agregada se utiliza en vencer las fuerzas de atracción entre las moléculas, no para

aumentar su energía cinética media.

q = m c

( Δ ^T)

q = m Δ ^H

Equilibrio líquido-vapor. Presión de vapor

Velocidad de condensación

Presión ejercida por el vapor cuando los estados líquido y gaseoso están en equilibrio dinámico

Presión de vapor (T constante)

B El número de moléculas que dejan el líquido es igual al número de moléculas que regresan a él.

Velocidad de evaporización

V_vap> V_cond V_vap= V_cond

Presión de vapor. Volatilidad

Energía cinética

Número de moléculas

E₁ E₂

Energía cinética necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares en el líquido

Número de moléculas con

velocidad suficiente para pasar al vapor a T₁ y T₂

Presión de vapor.

Aparato de medida

P_gas=Presión de vapor de equilibrio

Punto de ebullición: Temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión exterior.

Punto de ebullición normal: Punto de ebullición de un líquido a una presión de 1 atm.

Calor molar de vaporización (ΔH_vap) es la energía requerida para vaporizar 1 mol de un líquido.

11.8

Calor molar de vaporización (ΔH_vap) es la energía requerida para vaporizar 1 mol de un líquido.

ln P = - ΔH_vap

RT + C

Ecuación de Clausius-Clapeyron

P = (equilibrium) vapor pressure T = temperature (K)

R = gas constant (8.314 J/K•mol)

11.8

Calor molar de vaporización y punto de ebullición

Regla de Trouton: Para líquidos en los que no intervienen enlaces de hidrógeno

Diagramas de fase

•  Un diagrama de fases es una forma gráfica de resumir las condiciones en la que existen equilibrios entre los diferentes estados de la materia, y nos permite predecir la fase de una sustancia que es estable a una

temperatura y presión dadas.

•  El diagrama está dividido en zonas que indican los valores de P y T a los que el sistema se encuentra como una sola fase.

CO₂ HO₂

ρ_liquido< ρ_solido

Líneas: coexistencia 2 fases

Pto triple: coexistencia 3 fases

El estado G y L ya son indistinguibles (fluido)

Tebullición

Tcongelación

Problema resumen

Considera la propilamina, un compuesto orgánico de fórmula estructrual

H₃C-CH₂-CH₂-NH₂

a) ¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares espera encontrar en la propilamina?

b) ¿Cómo espera que sea el punto de ebullición normal de la propilamina en comparación con el del nitrógeno? ¿Y con la metilamina (CH₃NH₂)? ¿Y con el cloruro de amonio?

c) ¿Se podría esperar que la propilamina condujera la

corriente eléctrica? ¿Cómo sería su solubilidad en agua comparada con las del gas nitrógeno?

d) Obtenga el símbolo de un sólido no metálico que sea mejor conductor que la propilamina.

e) El punto de ebullición normal de la propilamina es de

48,7 ºC, su punto de congelación normal de -83 ºC, y su temperatura crítica de 234 ºC. Dibuje un esbozo del

diagrama de fases de la propilamina, suponiendo que el sólido es más denso que el líquido.

T_{normal eb} = 48,7C Tnormal cong = -83 C T_critica = 234 C

Diagrama de fases?

ρ_solido>>ρ_liquido

T P

G L

S Punto critico

234 C

1atm Tn,eb

48,7 C Tn,cong

-83 C

f) Si se quiere purificar la propilamina por sublimación, ¿a qué temperatura aproximada se tendrá que trabajar?

g) Una muestra de propilamina vapor a 250 ºC y 1 atm se

enfría a presión constante. ¿A qué temperatura aparece la fase líquida?

T< - 83 ºC

T

P/atm

G L

S Punto critico

1atm Tn,eb

48,7 C Tn,cong

-83 C

234 C

Presentara la Tn, eb = 48,7 ºC

f) Si se quiere purificar la propilamina por sublimación, ¿a qué temperatura aproximada se tendrá que trabajar?

g) Una muestra de propilamina vapor a 250 ºC y 1 atm se

enfría a presión constante. ¿A qué temperatura aparece la fase líquida?

Vapor: T = 250C, P =1 atm Enfriar a P=cte

T_{fase liquida}?

T/C

P/atm G

L

S Punto critico

1atm Tn,eb

48,7 C Tn,cong

-83 C 234 C

Presentara la Tn, eb=

48,7C

h) Tomando el punto de ebullición normal de la propilamina como 48,7 ºC y su calor de vaporización como 30,7 kJ/mol, estime su presión de vapor normal a 25 ºC. Estime la

temperatura a la que su presión de vapor es de 0,5 atm.

i) Se introduce una muestra de 1 mL de propilamina (d = 0,719 g/mL) en un matraz de 1 L a 22 ºC, en el que su

presión de vapor es de 269 mmHg. Demuestre por cálculo si queda algo de líquido en el matraz cuando se establece el equilibrio.