Estados Solido, Liquido y Gas

QUMICA GENERAL

Fuerzas Intermoleculares, Estados de la Materia: gas, lquido y slido

Prof. M. Anglica Francois C. Pgina 1

2 Sem. 2014

Introduccin:

Al iniciar el curso hemos mencionado la materia sus caractersticas, propiedades y clasificacin en funcin de los estados fsicos en los que se presenta: solido, liquido, gas y plasma; aunque el ultimo no

es comnmente identificado como estado de la materia, de hecho hasta no hace tanto tiempo atrs, los bilogos indicaban que el gel era el cuarto estado de la materia.

La primera vez que la palabra plasma apareci impresa en un texto cientfico, relacionado con el estudio de las descargas elctricas en gases, data de 1928. Irving Langmuir public ese ao su artculo Oscilaciones en gases ionizados en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. Fue el bautizo del cuarto estado de la materia, estado que predomina en el universo. A nivel de la mesosfera y ionosfera, se estima que la materia existe hasta el 99 % en el estado de plasma, aunque no en nuestro planeta, donde las condiciones de presin y temperatura hacen que nos parezcan comunes solo tres estados de la materia: solido, liquido, gas.

De los tres estados el ms desordenado es el gaseoso, y aunque no es difcil ver la materia en este estado, es importante tomar conciencia que estamos inmersos en ella. El aire que respiramos es una mezcla de diferentes gases, principalmente nitrgeno (N2), oxgeno (O2) y argn (Ar). De hecho, nuestro planeta est completamente rodeado por una capa gases, a los que en conjunto conocemos como atmsfera. La composicin de dicha capa de gases ha variado considerablemente desde la formacin de nuestro planeta. La actividad volcnica libera a la atmsfera gran cantidad de gases, como nitrgeno, amoniaco, dixido de carbono, xidos de azufre y metano.

En la actualidad, sobre todo en ciertas regiones del planeta, la composicin de la atmsfera sigue cambiando, por la gran cantidad de contaminantes gaseosos que continuamente, por actividades antropognicas se liberan a la atmosfera. Es nuestra responsabilidad controlar la liberacin indiscriminada de gases contaminantes como los xidos de azufre y nitrgeno (estos al reaccionar con el agua generan la llamada lluvia cida), o el monxido y bixido de carbono, cloro-fluoro-alcanos (los cuales han provocado la desaparicin parcial de la capa de ozono, gas que filtra los rayos ultravioleta provenientes del sol).

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Fuerzas intermoleculares y estados de la materia:

Comparacin entre los tres estados:

Estado Fuerzas Orden Distancias

Gas Despreciables frente a la agitacin trmica Continuo, movimiento al azar Largas desiguales

Liquido Intermedias Semi- orden Cortas desiguales

Solido Grandes frente a la agitacin trmica Elevado orden Cortas iguales

Las fuerzas intermoleculares son fuerzas atractivas entre las molculas. Su magnitud es determinante del estado fsico, por lo tanto son fuertes en las fases condensadas de la materia; en los lquidos y los slidos.

Dentro de una molcula, los tomos estn unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces inicos, metlicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio qumico; por tanto, determinan las propiedades qumicas de las sustancias.

Sin embargo existen otras fuerzas intermoleculares que actan sobre distintas molculas o iones y que hacen que stos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades fsicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregacin, el punto de fusin y de ebullicin, la solubilidad, la tensin superficial, la densidad, etc. Por lo general son fuerzas dbiles pero, al ser muy numerosas, su contribucin es importante. La figura se resume los tipos de fuerzas intermoleculares.

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas de Van

der Waals

Fuerzas

dipolo-dipolo

Fuerzas

dipolo-dipolo inducido

Fuerzas

dipolo instantneo-

dipolo inducido

Puentes de Hidrgeno

Fuerzas

In- dipolo

Fuerzas In- dipolo inducido

Fuerzas In- In

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Fuerzas electrostticas (In- In)

Son las que se establecen entre iones de igual o distinta carga:

Los iones con cargas de signo opuesto se atraen Los iones con cargas del mismo signo se repelen

La magnitud de la fuerza electrosttica viene definida por la ley de Coulomb y es directamente proporcional a la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Son frecuentes entre los compuestos inicos.

Fuerzas In- dipolo:

Son las que se establecen entre un in y una molcula polar.

Por ejemplo, el NaCl se disuelve en agua por la atraccin que existe entre los iones Na+ y Cl- y los correspondientes polos con carga opuesta de la molcula de agua. Esta solvatacin de los iones es capaz de vencer las fuerzas que los mantienen juntos en el estado slido

Fuerzas In- dipolo inducido:

Tienen lugar entre un in y una molcula apolar. La proximidad del in provoca una distorsin en la nube electrnica de la molcula apolar que convierte (de modo transitorio) en una molcula polarizada. En este momento se produce una atraccin entre el in y la molcula polarizada.

Un ejemplo de esta interaccin es la interaccin entre el in Fe++ de la hemoglobina y la molcula de O2, que es apolar. Esta interaccin es la que permite la unin reversible del O2 a la hemoglobina y el transporte de O2 desde los pulmones hacia los tejidos

Fuerzas de Van der Waals:

Cuando se encuentran a una distancia moderada, las molculas se atraen entre s pero, cuando sus nubes electrnicas empiezan a solaparse, las molculas se repelen con fuerza.

El trmino "fuerzas de Van der Waals" engloba colectivamente a las fuerzas de atraccin entre las molculas. Son fuerzas de atraccin dbiles que se establecen entre molculas elctricamente neutras (tanto polares como no polares), pero son muy numerosas. Las fuerzas de van der Waals incluyen:

Fuerzas dipolo-dipolo , entre las que se incluyen los puentes de hidrgeno Fuerzas dipolo-dipolo inducido . Fuerzas dipolo instantneo-dipolo inducido (fuerzas de dispersin o fuerzas de London)

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Fuerzas de polaridad o de Dipolo- Dipolo Una molcula es un dipolo cuando existe una distribucin asimtrica de los electrones debido a que la molcula est formada por tomos de distinta electronegatividad. Como consecuencia de ello, los electrones se encuentran preferentemente en las proximidades del tomo ms electronegativo. Se crean as dos regiones (o polos) en la molcula, una con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva.

Cuando dos molculas polares (dipolos) se aproximan, se produce una atraccin entre el polo positivo de una de ellas y el negativo de la otra. Esta fuerza de atraccin entre dos dipolos es tanto ms intensa cuanto mayor es la polarizacin de dichas molculas polares o, dicho de otra forma, cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los tomos enlazados. En resumen los enlaces sern tanto ms polares cuanto mayor sea la diferencia de electronegatividad entre los tomos enlazados.

En el fluoruro de hidrgeno, por ejemplo, el F es ms electronegativo que el H porque su ncleo, con 9 cargas positivas, atrae a los e- compartidos con el H con ms fuerza que el ncleo del H, con una sla carga positiva. Por lo tanto, los e- compartidos por covalencia estarn ms prximos al F que al H y la molcula forma un dipolo permanente

El momento dipolar () es un vector (orientado hacia la carga negativa y cuya magnitud depende de la intensidad de la carga y de la distancia entre los tomos) que permite cuantificar la asimetra de cargas en la molcula. La forma de la molcula tambin afecta al momento dipolar.

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Si bien el comportamiento qumico de un gas depende de su composicin, el comportamiento fsico de todos los gases es notablemente similar. En este bloque de contenidos centraremos la atencin en el comportamiento fsico de los gases, las leyes y relaciones matemticas simples que rigen dicho comportamiento. Aunque las propiedades de los lquidos y los slidos pueden describirse, no se ajustan adecuadamente a estas relaciones matemticas como es el caso de los gases. Si Realizamos una comparacin entre los tres estados tenemos:

Gases Lquidos Slidos Sin forma definida (llenan completamente el recipiente que los contiene).

Sin forma definida (toma la forma del recipiente que los contiene).

Forma conocida (resistente a las deformaciones).

Compresibles Densidad intermedia Densidad elevada

Baja densidad Densidad intermedia Densidad elevada

Fluido Fluido No es fluido

Difunden rpidamente Difunden en otros lquidos (miscibles)

Difunden muy lentamente en otros slidos

Partculas muy desordenadas, gran cantidad de espacio vaco, movimiento rpido al azar.

Agrupamiento desordenado de partculas, bastante compactas, movimiento al azar en tres direcciones.

Agrupamiento ordenado de partculas, movimiento nicamente de vibracin, partculas muy compactas

Estado gaseoso:

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Muchas sustancias qumicas importantes son gases. La atmsfera que respiramos se compone de una mezcla de gases. Los componentes mayoritarios son el nitrgeno, N2 y el oxgeno, O2, la composicin medida en porcentaje (volmenes) es de N2 78,08 %; O2 20,95 %, Ar 0,93% y el resto son CO2 y otros gases. El aire mantiene la vida. Tambin encontramos gases en muchas otras situaciones. Por ejemplo, el cloro gaseoso, Cl2, se utiliza para purificar el agua que bebemos. El gas acetileno se utiliza en soldadura.

Todos los gases son miscibles entre ellos, o sea, pueden mezclarse completamente en todas proporciones, a menos que reaccionen entre s. En condiciones apropiadas, sustancias que ordinariamente son lquidas o slidas pueden existir en estado gaseoso y en ese caso se les llama VAPORES.

Varios cientficos, en particular Torricelli (1643), Boyle (1660), Charles (1787) y Graham (1831), realizaron las pruebas experimentales sobre las que se basan nuestros conocimientos actuales de los gases. En sus investigaciones demostraron que:

1. Los gases pueden comprimirse hasta adquirir un pequeo volumen; es decir, puede aumentarse su densidad con solo aumentar la presin aplicada.

2. Los gases ejercen presin sobre su entorno y por lo tanto, para confinarlos debe ejercerse presin desde el exterior.

3. Los gases se expanden ilimitadamente, de modo que las muestras de gases ocupan completa y uniformemente el volumen de cualquier recipiente.

4. Los gases difunden unos en otros (se mezclan), de modo que cuando dos muestras de gas llenan el mismo recipiente, se mezclan en forma completa, casi de inmediato. Por el contrario, los diferentes gases de una mezcla, como el aire, no pueden separarse fcilmente.

5. Las cantidades y propiedades de los gases se enuncian en su totalidad en trminos de temperatura, presin, volumen que ocupan y nmero de molculas presentes. Por ejemplo, una muestra caliente de un gas ocupa mucho mayor volumen que esa misma muestra fra a la misma presin, pero el nmero de molculas no vara.

Las propiedades caractersticas de los gases se deben a que las molculas individuales estn relativamente separadas. Por ejemplo, en el aire que respiramos, las molculas ocupan cerca del 0,1% del volumen total y el resto es espacio vaco. As, cada molcula se comporta como si las otras no existieran. Los diferentes gases se comportan del mismo modo, aun cuando estn formados de molculas muy distintas. En contraste, las molculas de un lquido estn muy cerca unas de otras y ocupan el 70% del espacio total.

Aunque los gases no son tangibles como los lquidos y los slidos, exhiben propiedades que son ms simples de entender. Los gases difieren, significativamente, de los slidos y los lquidos en varios aspectos. Las propiedades de un gas que ms fcilmente se miden son su temperatura, volumen y presin.

Presin

La presin se define como fuerza por unidad de rea. En efecto, la presin, P, es la fuerza, F, que acta sobre un rea dada, A:

A

FP

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Los gases ejercen una presin sobre cualquier superficie con la que estn en contacto. Por ejemplo, el gas dentro de un globo ejerce una presin sobre la superficie interna del mismo.

El barmetro de mercurio es un aparato simple que se utiliza para medir presiones atmosfricas. Este consta de un tubo cerrado en su extremo superior, lleno de Hg y colocado invertido dentro de un recipiente de Hg. (experimento de Torricelli, 1640).

Como los barmetros de mercurio son sencillos y bien conocidos, las presiones de los gases suelen expresarse en trminos de milmetros de mercurio (mm de Hg o simplemente mm). En los ltimos aos se ha introducido la unidad torr para indicar 1 mm de Hg, o sea, 1 mm de Hg = 1 torr. Otras unidades utilizadas son el Pascal, Kg/cm2 y psi (libras por pulgada cuadrada).

La presin atmosfrica vara al modificarse las condiciones atmosfricas y la distancia sobre el nivel del mar. Cuanto mayor sea la altura sobre el nivel del mar, menor ser la presin. Al nivel del mar, a una latitud de 45, la presin atmosfrica media soporta una columna de mercurio de 760 mm de altura en un barmetro simple cuando el mercurio est a 0C. A esta presin media a nivel del mar de 760 mm de Hg se denomina 1 atmsfera de presin; es decir:

1 atmosfera (atm.) = 760 nm de Hg = 760 torr = 1 bar 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 102,4 kPa (Pa= pascales; kPa = kilopascales)

Ley de Boyle: La relacin entre volumen y presin a presin temperatura constante.

En 1662, Robert Boyle resumi los resultados de sus experiencias con varias muestras de gases y descubri que a temperatura constante el volumen ocupado por una muestra de gas vara inversamente con la presin aplicada. La Ley de Boyle afirma que: a una temperatura dada, el producto de la presin por el volumen de una masa definida de gas es constante.

Presin Volumen Presin * volumen

5,0 40,0 200

10,0 20,0 200

15,0 13,3 200

17,0 11,8 201

20,0 10,0 200

22,0 9,1 200

30,0 6,7 201

Una proporcionalidad ( ) puede convertirse en una igualdad introduciendo una constante de proporcionalidad k; V= k (1/P).

Constante, n y T

V 1 P

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Reagrupando la ecuacin se obtiene: PV=k (constante n; T)

Que es una forma de expresar la ley de Boyle. Para dos valores cualquiera de la tabla anterior se tiene que:

P1V1 = k1 P2V2 =k2

(constante n, T) (constante n, T)

Los datos de la tabla anterior muestran que los valores de k1 y k2 son iguales (200), por lo qu podemos escribir la ley de Boyle como:

P1V1 = P2V2 para una masa dada de gas a temperatura constante.

Escala absoluta de Kelvin

En los trabajos cientficos, las temperaturas se expresan frecuentemente en la escala Kelvin (absoluta). El punto cero de la escala Kelvin se deriva del comportamiento observado en toda la materia. Si 273 ml de una muestra de gas a 0C se calienta hasta 273 C a presin constante, su volumen se dobla a 546 ml. Por otro lado, si la temperatura de una muestra de 273 ml de gas a 0C se hiciese descender desde 0 a (-) 273 C el gas tericamente no ocupara ningn volumen. Esta temperatura de - 273 C (o ms exactamente - 273.15 C) es el cero absoluto, y se toma como punto cero de la escala Kelvin de temperaturas. La relacin entre las escalas de temperatura Celsius y Kelvin es:

K = oC + 273

Al extrapolar estos resultados, de modo que la recta intercepte la temperatura, se encuentra que en todos los casos, esta interceptacin ocurre a - 273 C. Esto ocurre para cualquier gas independiente de la naturaleza de este.

Esta observacin nos conduce a postular hipotticamente que a - 273 C, el volumen de un gas se reduce a cero. Sin embargo sabemos que esto en la realidad no es cierto por el principio de conservacin de la materia, pues un principio fsico establece que toda materia ocupa un lugar en el espacio, por lo que como mnimo el volumen a - 273 C es el que ocupan las molculas.

A pesar de esto, el valor encontrado tiene mucha implicancia terica en el estudio del comportamiento de los GASES y en la TERMODINMICA.

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Si se hace un corrimiento del eje del volumen hasta - 273 C vemos que 0 C queda a una distancia de 273 grados desde el nuevo origen por lo que se establece una nueva escala de temperatura: T (K) = t (C) + 273

Ley de Charles: La relacin entre volumen y temperatura a presin constante.

Conjunto de las observaciones de los efectos de los cambios de temperatura sobre los volmenes de muestras de gases a presin constante recibe el nombre de Ley de Charles. A presin constante, el volumen ocupado por una masa dada de un gas es directamente proporcional a su temperatura obsoluta.

Volumen (ml) Temperatura (K) Volumen/ temperatura

373 373 1

273 273 1

200 200 1

100 100 1

0 0 1

Y si introducimos una constante de proporcionalidad (k) para convertir la relacin en una igualdad matemtica: V=kT; para una masa definida de gas a presin constante. Reagrupando esta expresin se obtiene V/T = k, enunciado conciso de la Ley de Charles: si se aumenta la temperatura, el volumen debe aumentar proporcionalmente.

Para dos valores cualquiera de la tabla anterior se tiene que:

V1 T1 = k1 V2 T2 = k2

(constante n, P) (constante n, P)

Se observa que existe una relacin directa entre V y T (K) V=RT Donde, R= pendiente recta

Constante, n y P

V T

Donde se lee es directamente proporcional a

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Los datos de la tabla anterior muestran que los valores de k1 y k2 son iguales, por lo tanto podemos escribir

la ley de Charles como: V1 T1 = V2 T2 , para una masa de gas a temperatura constante.

Estas relaciones son vlidas solamente cuando la temperatura T, se expresa en una escala de temperaturas absolutas.

Ejemplo: Una muestra de gas de 250 ml est confinada bajo una atmsfera de presin a 25 C. Qu volumen ocupar dicho gas a 50 C si la presin se mantiene constante?

V1= 250 ml T1=25C + 273 = 298K V2= ? T2 = 50C + 273 = 323K

V1 = V2 V2 = T2 x V2 V2 = (323 K) x (250ml) = 271 ml

T1 T2 T1 (298 K)

Temperatura y presin normal:

Se ha visto que tanto la TEMPERATURA como la PRESIN afectan al volumen (y por consiguiente a la densidad) de los gases. Por ello, al estudiar los gases conviene elegir una temperatura y presin patrones como punto de referencia. Por convenio internacional, las CONDICIONES NORMALES (C.N.) DE TEMPERATURA Y PRESIN son 0 C (273 K) y una atmsfera de presin (760 mm de Hg).

Ecuacin combinada de las leyes de los gases

La ley de Boyle relaciona la presin y el volumen de una muestra de gas a temperatura constante, mientras que la ley de Charles relaciona el volumen y la temperatura a presin constante. Combinando los fundamentos de ambas en una expresin simple, se obtiene la ECUACIN COMBINADA:

P1 V1 = P2 V2

T1 T2

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La ecuacin de las leyes combinadas es bastante til cuando varan a la vez la temperatura y la presin o cuando se conocen cinco variables cualesquiera de las seis de la ecuacin, pues entonces puede calcularse la sexta.

Ley de Gay- Lussac : Ley de combinacin de volumen:

Los gases reaccionan en proporciones de volumen simples y definidas; por ejemplo, un volumen de hidrgeno se combina siempre con un volumen de cloro para formar dos volmenes de Cloruro de hidrgeno. Se entiende que todos los volmenes estn a la misma presin y temperatura.

H2 (gas) + Cl2 (gas) 2 HCl (gas)

1 volumen 1 volumen 2 volmenes

Los volmenes pueden expresarse en muchas unidades, siempre que se utilicen las mismas para todos. Gay-Lussac, resumi numerosas observaciones experimentales sobre la combinacin de volmenes de gases. Este resumen recibe el nombre de Ley de combinacin de volmenes: a temperatura y presin constante, los volmenes de los gases reaccionantes pueden expresarse como una relacin sencilla de nmeros enteros. La relacin se obtiene de los coeficientes de la ecuacin de la reaccin, una vez ajustada.

Ley de Avogadro: explicacin de la ecuacin de combinacin de volmenes

En 1811, el italiano Amadeo Avogadro postul que A LA MISMA PRESIN Y TEMPERATURA, VOLMENES IGUALES DE TODOS LOS GASES CONTIENEN EL MISMO NMERO DE MOLCULAS. La hiptesis de Avogadro ha sido comprobada en numerosas experiencias y se le conoce como la LEY DE AVOGADRO.

En el esquema anterior se muestran las relaciones volumtricas de reaccin del hidrgeno y cloro gaseoso. La ley de Avogadro nos dice que volmenes iguales de hidrgeno, cloro y cloruro de hidrgeno contienen igual nmero de molculas.

Densidades de gases y volumen molar:

Las densidades de los gases dependen de la presin y la temperatura. Recordemos que la densidad se define como masa por unidad de volumen; es decir, densidad = masa/volumen. Las variaciones de la presin afectan al volumen de los gases segn la ley de Boyle, mientras que los cambios de temperatura lo afectan segn la ley de Charles, por ello las densidades medidas a distintas presiones y temperatura

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pueden convertirse en las correspondientes a la temperatura y presin normales, aplicando las leyes de Boyle y de Charles. A continuacin se muestran las densidades de varios gases en condiciones normales. Despejando de la frmula de densidad el volumen, se obtiene un valor constante de 22,4 litros, el que es llamado VOLUMEN MOLAR, siendo este el volumen ocupado por un mol de cualquier gas en condiciones normales.

Gas Formula Masa molar Densidad a C.N. Volumen molar

Hidrgeno

Helio

Nen

Nitrgeno

Amoniaco

H2

He

Ne

N2

NH3

2,02

4,003

20,28

28,01

17,03

0,090

0,178

0,900

1,250

0,771

22,428

22,426

22,425

22,404

22,094

El nmero de moles de un gas no vara ni con la presin ni con la temperatura.

Resumen de las leyes de los gases: Ecuacin del gas ideal

Recordemos que los gases pueden describirse en trminos de su presin, temperatura, volumen y nmero de moles, presentes en una muestra. Tres de estas variables determinan la cuarta. La mayora de los gases son bastante similares, de modo que el comportamiento del gas ilustra el de los gases en general. Un GAS IDEAL es aquel que obedece exactamente las leyes de los gases.

Segn lo visto de las leyes de los gases, podemos indicar que para cualquier gas el nmero de choques por unidad de superficie, o sea, la presin ser:

a) Directamente proporcional al nmero de molculas o moles de la sustancia contenidos en el recipiente. (P n)

b) Directamente proporcional a la temperatura, puesto que el aumento de esta, aumenta el movimiento de las molculas (energa cintica) y por lo tanto, el nmero de choques. (P T).

c) Inversamente proporcional al volumen ya que cuando mayor sea este, menos va a hacer el nmero de choques (P) y viceversa.

Resumiendo la proporcionalidad mltiple, se obtiene:

P n T V

Si reagrupamos los trminos: PV nT. Esta proporcionalidad, puede convertirse en una igualdad matemtica, a travs de la constante de proporcionalidad, que en te caso se indica por la letra R: As: =R (cte. de proporcionalidad o cte. de los gases)

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P= R n T o bien PV=nRT ecuacin general del gas ideal V

Para calcular el valor tenemos que reemplazar los valores de P, V, n yT en C.N.

R= 1atm x 22.4 l R= 0,082 atm. l 1mol x 273K mol K

La constante de proporcionalidad R, se denomina CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES y su valor mas exacto es 0,08206 l atm/mol K. Otros valores para R son:

R= 1,987 cal/mol K R= 8,31 kPa dm3 / mol K

La utilidad de la ecuacin del gas ideal reside en el hecho de que relaciona las cuatro variables que describen a todos los gases, P, V, n y T. Si se conocen tres de ellas, puede calcularse la cuarta.

Se puede dar otra expresin matemtica a la ecuacin de los gases ideales si reemplazamos el nmero de moles, n, por su expresin matemtica. Recuerde que n = m/MM; por lo tanto:

de esta ltima expresin se puede encontrar la masa molar de un gas y si reagrupamos trminos, incluso

podemos hallar la densidad de un gas. Recuerde que densidad es la relacin entre masa y volumen, = m/V, por lo tanto:

Ley de Dalton de las presiones parciales:

Muchos gases, incluyendo nuestra atmsfera, son mezclas que constan de distintos tipos de gases. Suponiendo que no ocurre reaccin qumica entre los diferentes gases, la presin total es la suma de las presiones individuales o parciales de los diferentes gases. Es decir, cada gas ejerce una presin independiente de las otras como si fuera el nico gas:

Como el nmero de molculas de cada tipo puede expresarse como nmero de mol, el nmero total de moles de la mezcla gaseosa ser:

donde nA +nB + nC , etc., representan el nmero de mol de cada gas presente en la mezcla.

Para obtener una ecuacin que de relaciones P y n de daca gas, despejemos el valor de n desde la ecuacin del gas ideal, tenemos:

XCBAtotal nnnnn ......

totalnRT

PV

MM

RTP

MMV

RTmPoreordenand

MM

mRTPV

MM

mRTPVnRTPV

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Todas los gases ocupan el mismo lugar, esto es su volumen y temperatura es la misma; solo varia el nmero de mol. Con esto podemos escribir una expresin de la ley del gas ideal para cada gas de la mezcla, es decir:

As, la presin ejercida por las molculas de A es proporcional a nA, o sea, al nmero de mol de A, con PA, presin parcial del gas A.

Al sustituir esta expresin en la ecuacin de n total,( n total = nA +nB + nC +.+ nX), obtenemos:

Factorizando:

y eliminando trminos comunes en cada lada de la ecuacin, se obtiene la expresin de la presin total de la mezcla de gases en funcin d las presiones parciales:

...La presin total ejercida por una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de sus componentes. Este enunciado recibe el nombre de Ley de Dalton de las presiones parciales, en honor a John Dalton.

EL ESTADO LQUIDO

Un lquido est compuesto por molculas que se encuentran en continuo movimiento, sufriendo cada una de ellas billones de colisiones por segundo; sin embargo, existen fuerzas de atraccin que impiden un movimiento tan libre como el de las partculas gaseosas. Por otro lado, las molculas de un lquido no se encuentran tan juntas como lo estn en un slido. Por esta razn los lquidos poseen caractersticas intermediadas que las ubican entre un estado completamente catico como es el gaseoso y un estado muy ordenado como lo es el slido.

SLIDO LQUIDO GASEOSO Estado muy ordenado estado intermediario estado catico

......

CBAtotal P

RT

VP

RT

VP

RT

VP

RT

Vn

......

CBAtotal PPP

RT

VP

RT

Vn

...... CBAtotal PPPP

AA PRT

Vn

BB P

RT

Vn

cC P

RT

Vn

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Propiedades de los lquidos Volumen y forma: En un lquido existen fuerzas atractivas intermoleculares que son suficientemente fuertes como para que se muevan en un volumen finito, pero lo suficientemente dbiles como para que las molculas no ocupen una posicin fija o rgida y definitiva dentro del total. Por lo tanto dentro del volumen del lquido los molculas estn libres y se mueven rodendose unas a otras y por esto el lquido FLUYE, pero su forma es la del recipiente que lo contiene. Compresin y expansin: En un lquido las fuerzas atractivas mantienen las molculas juntas, y un aumento de presin tiene poco efecto sobre el volumen puesto que estas fuerzas de atraccin hacen que el espacio intermolecular sea pequeo. Los lquidos son virtualmente incompresibles Similarmente, los cambios de temperaturas causarn solamente un pequeo cambio de volumen (comparado con un gas) (aumento de temperatura aumento de volumen) Difusin: Cuando dos lquidos se mezclan, las molculas de un lquido difunden a travs de las molculas del otro lquido a una velocidad mucho menor que la difusin observada en los gases cuando se mezclan. La difusin se puede observar cuando una gota de colorante (tinta) se agrega a un vaso de agua. Cuando la gota cae sobre el agua se observa una porcin concentrada, la cual lentamente se esparce por todo el volumen. La difusin tiene lugar porque las molculas de ambos lquidos son capaces de moverse dentro del recipiente; pero esto es lento (comparando con un gas) debido a los continuos choques. Tensin superficial: Los lquidos presentan una propiedad denominada tensin superficial que se manifiesta en la inter-fase lquido-aire cuando el lquido est en un recipiente abierto. En rigor, es un caso particular de la tensin que se origina en la superficie de separacin entre dos fases distintas cualesquiera. Esta propiedad se origina en el hecho de que en el interior de un lquido, cada molcula est rodeada por otras que ejercen sobre ella una atraccin prcticamente igual en todas las direcciones. Las molculas de la superficie tienen una atraccin neta hacia el interior del lquido. Como consecuencia de esta atraccin, la superficie del lquido tiende siempre a contraerse hasta presentar un rea mnima (la esfera es la forma que tiene el rea superficial ms pequea para un volumen dado), comportndose como si estuviera sometida a un estado de tensin, como lo hace una lmina de goma estirada. No obstante, la naturaleza qumica de esa lmina superficial es exactamente igual a la del seno del lquido. Esta fuerza se denomina tensin superficial. La tensin superficial depende de:

1. Temperatura: Al aumentar la temperatura, aumenta la energa cintica de las molculas y las fuerzas de atraccin entre ellas disminuyen, entonces la tensin superficial tambin disminuye.

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2. La naturaleza del lquido: Es proporcional al tipo de fuerzas intermoleculares del lquido; as, la

tensin superficial aumentara, segn: Lquidos apolar < lquidos polar < lquidos inicos.

Efectos debidos a la tensin superficial. La tensin superficial se manifiesta en el hecho de que:

- Cuerpos de mayor densidad que el agua (mosquitos, agujas, polvo, etc.) floten sobre la superficie de un charco,

- en el ascenso de algunos lquidos y el descenso de otros en el interior de tubos capilares sumergidos parcialmente en ellos,

- en la formacin de gotas de un lquido que se derrama o en el extremo de una bureta, - en la formacin de meniscos convexos o cncavos en la superficie libre de lquidos contenidos en

pipetas, vasos, etc. - alcoholes de alta masa molar, grasas y jabones agregados al agua en pequeas cantidades

disminuyen notablemente la tensin superficial del agua. (Sustancia tensioactiva) formando espumas, aumentando la superficie y por ende mayor poder mojante. En el caso de los humectantes disminuyen tensin superficial, y con ellos la capacidad de formar gotas. Estas sustancias son molculas que tienen un aparte polar y otra apolar. La polar se orienta hacia el seno del lquido (agua) y la apolar hacia la superficie disminuyendo la tensin superficial. La formacin de burbujas por agitacin de una solucin acuosa de jabn o detergente se debe al efecto depresor de la tensin superficial solucin-aire (efecto detersivo) del jabn o detergente.

Es posible medir la fuerza que debe vencerse para expandir el rea superficial de un lquido. La tensin superficial es la energa requerida para aumentar el rea superficial de un lquido en una unidad de rea. Por ejemplo, la tensin superficial del agua a 20C es de 7,29.10-2 J/m2, lo que significa que es necesario suministrar 7,29.10-2 J de energa para aumentar en 1 m2 el rea superficial de una cantidad dada de agua. El agua tiene una tensin superficial elevada a causa de sus puentes de hidrgeno. La tensin superficial del mercurio es an mayor (0,46 J/m2) a causa de los enlaces metlicos, ms fuertes an, entre los tomos de mercurio. Las fuerzas intermoleculares que unen molculas similares unas a otras, como los puentes de hidrgeno del agua, se llaman fuerzas de cohesin. Las fuerzas intermoleculares que unen una sustancia a una superficie se llaman fuerzas de adhesin. El agua colocada en un tubo de vidrio se adhiere al vidrio porque las fuerzas de adhesin entre el agua y el vidrio son ms intensas que las fuerzas de cohesin entre las molculas de agua. Por ello, la superficie curva o menisco, de la parte superior del agua tiene forma de U, como se observa en la parte izquierda de la siguiente figura:

En el mercurio, en cambio, el menisco tiene una curva hacia abajo en los puntos en que el metal hace contacto con el vidrio (parte derecha de la figura). En este caso las fuerzas de cohesin entre los tomos de mercurio son mucho ms intensas que las fuerzas de adhesin entre los tomos de mercurio y el vidrio.

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Accin capilar: Si colocamos un tubo de vidrio de dimetro pequeo (un capilar) en agua, el lquido sube por el tubo. La elevacin de lquidos por tubos muy angostos se denomina accin capilar. Las fuerzas de adhesin entre el lquido y las paredes del tubo tienden a aumentar el rea superficial del lquido. La tensin superficial del lquido tiende a reducir el rea, y tira del lquido subindolo por el tubo. El lquido sube hasta que las fuerzas de adhesin y cohesin se equilibran con la fuerza de la gravedad sobre el lquido. La accin capilar ayuda a que el agua y los nutrientes disueltos suban por el tallo de las plantas. Todas las fuerzas que tienden a mantener unido un lquido se denominan fuerzas cohesivas. Las fuerzas de atraccin entre un lquido y otra superficie se denominan adhesivas. As, el agua moja un tubo de vidrio aumentando su superficie y ascendiendo por los lados del tubo debido a las grandes fuerzas adhesivas entre el agua y el vidrio cuya estructura es similar. En la superficie del agua, el menisco, adquiere una forma cncava en contacto con el vidrio. Por el contrario el mercurio no moja el vidrio, porque sus fuerzas cohesivas son mucho mayores que su atraccin por el vidrio, por lo tanto, su menisco es convexo. La capilaridad ocurre cuando el extremo de un tubo de vidrio capilar, o sea un tubo de vidrio de pequeo calibre, se sumerge en un lquido. Si las fuerzas adhesivas son mayores que las cohesivas, el lquido ascender por el tubo hasta que se neutralicen entre s las fuerzas adhesivas y el peso del lquido. Presin de vapor: La teora cintico-molecular predice que tanto en los lquidos como en los gases existe una distribucin de energas cinticas que se extienden desde valores muy bajos a valores muy altos. En consecuencia algunas molculas en la superficie de un lquido poseern energas cinticas tan grandes que pueden escapar a la fase vapor. Si la temperatura permanece constante, el lquido tendr la misma distribucin de energa moleculares y fraccin ms energtica seguir escapando del lquido al vapor; y si la vasija que contiene el lquido es abierto, la evaporizacin continuar hasta acabarse el lquido.

Si se introduce una cantidad de un lquido que luego se cierra y se mantiene a una temperatura constante, las molculas con ms energa cintica escaparn a la fase vapor. Como la temperatura es constante la velocidad de evaporacin es constante. Sin embargo, al estar el recipiente cerrado, a medida que aumenta el nmero de molculas en la fase vapor, estas tambin alcanzan una distribucin de energa cintica y una fraccin de ellas tendr una energa cintica tan baja que se condensarn al chocar con la superficie del

lquido. Cuanto mayor sea la concentracin de molculas en la fase gaseosa, ms molculas se condensarn.

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Finalmente, la condensacin y la evaporacin a velocidades iguales y no se aprecia una transferencia neta de molculas entre las fases (equilibrio). La presin ejercida por las molculas en la fase gaseosa bajo estas condiciones de equilibrio se conoce como presin de vapor del lquido. La magnitud de Pv de un lquido dado depende solo de la temperatura y de la naturaleza del lquido, y no del volumen del lquido o del espacio que existe sobre el lquido. Para poder entender muchos fenmenos que suceden en la vida diaria hay que conocer lo que es la Presin de Vapor. Para simplificar e ilustrar utilicemos los siguientes esquemas:

En el dibujo se representa un recipiente cerrado, lleno parcialmente de un lquido. Este lquido est constituido por molculas, que estn en constante movimiento al azar en todas direcciones. Este movimiento errtico, hace que se produzcan choques entre ellas, de estos choques las molculas intercambian energa, tal y como hacen las bolas de billar al chocar; algunas aceleran, mientras otras se frenan. En este constante choque e intercambio de energa, algunas molculas pueden alcanzar tal energa, que pueden vencer la atraccin de sus vecinas y si estn cerca de la superficie pueden salir desde la superficie del lquido al espacio cerrado exterior como vapor. A este proceso de conversin lenta de los lquidos a vapor se les llama evaporacin. A medida que ms y ms molculas pasan al estado de vapor, la presin dentro del espacio cerrado sobre el lquido aumenta, este aumento no es indefinido, y hay un valor de presin para el cual por cada molcula que logra escapar del lquido necesariamente regresa una a l, por lo que se establece un equilibrio y la presin no sigue subiendo.

La presin de vapor en equilibrio depende de dos factores: 1. La naturaleza del lquido 2. La temperatura

Influencia de la naturaleza del lquido

El valor de la presin de vapor en equilibrio de un lquido, da una idea clara de su volatilidad, los lquidos mas voltiles (ter, gasolina, acetona etc) tienen una presin de vapor ms alta, por lo que este tipo de lquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrn a la misma temperatura, una presin mayor (b), que otros menos voltiles (a). Eso explica por qu, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presin considerable en el interior, mientras que si el lquido es por ejemplo; agua, cuya presin de vapor es menor, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente.

Influencia de la temperatura

Del mismo modo, habremos notado que la presin de vapor crece con el aumento de la temperatura, de esta forma si colocamos un lquido poco voltil como el agua en un recipiente y lo calentamos, obtendremos el mismo efecto del punto anterior, es decir una presin notable al destaparlo. La relacin entre la temperatura y la presin de vapor de las sustancias, no es una lnea recta, en otras

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palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicar la presin, pero si se cumplir siempre, que para cada valor de temperatura, habr un valor fijo de presin de vapor para cada lquido. La explicacin de este fenmeno se basa en el aumento de energa de las molculas al calentarse. Cuando un lquido se calienta, estamos suministrndole energa. Esta energa se traduce en aumento de velocidad de las molculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas sern ms frecuentes y violentos. Es fcil darse cuenta entonces, que la cantidad de molculas que alcanzarn suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso ser mucho mayor, y por tanto mayor tambin la presin.

Punto de ebullicin

El efecto de evaporacin explicado hasta aqu; donde para cada valor de temperatura, se establece un equilibrio entre las molculas que abandonan el lquido desde su superficie y las que regresan a l para dar un valor presin, se cumple de igual modo aunque la naturaleza del gas que est estableciendo la presin sea otro diferente a los vapores del propio lquido. Veamos: supongamos que tenemos un lquido confinado a un recipiente abierto como se muestra, en este caso sobre el lquido acta el aire a la presin de la atmsfera, si esta presin es mayor que la presin de vapor saturado del lquido a esa temperatura, la evaporacin ser muy lenta, y se deber bsicamente, a que siempre en el incesante choque entre ellas, alguna de manera espordica, alcanzar la energa suficiente para pasar al estado gaseoso con la posibilidad de abandonar el recipiente, especialmente si hay alguna corriente de gases que la arrastre.

Si comenzamos a incrementar la temperatura del sistema, cada vez ser mayor la cantidad de molculas que lo abandonen y se ir incrementando gradualmente la evaporacin. Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presin de vapor saturado del lquido en cuestin, sea igual al valor de la presin atmosfrica, la evaporacin se producir en toda la masa del lquido, se dice entonces que el lquido entra en ebullicin (hierbe). Si se ha comprendido hasta aqu podemos ahora definir el punto de ebullicin como: El valor de la temperatura para la cual la presin de vapor saturado de un lquido cualquiera, alcanza la presin a que est sometido. Se puede deducir menor para bajas presiones y mayor para el caso contrario. Este fenmeno se aprovecha en la prctica para muchas aplicaciones, algunas tan simples como la conocida olla a presin, y otras tan complejas e importantes como las grandes calderas de vapor, las mquinas refrigeradoras o la produccin de aire lquido. Las distintas sustancias necesitan diferente temperatura para pasar al estado vapor (evaporacin, volatilidad).

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia que tiene un lquido a fluir; est relacionada con las fuerzas intermoleculares de atraccin, con el tamao y las formas de los constituyentes de las partculas.

Los valores de la viscosidad dependen de la naturaleza del lquido y de la temperatura. Con respecto a la primera condicin, se reconoce que algunos son poco viscosos como los hidrocarburos livianos lquidos y otros muy viscosos como el glicerol y los aceites minerales pesados. De los primeros se dice que son mviles porque fluyen en forma tumultuosa provocando salpicaduras; en cambio los ms viscosos fluyen formando una vena lquida limitada por una superficie continua.

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La influencia de la temperatura, la viscosidad de los lquidos disminuye exponencialmente con el aumento de la temperatura, lo que se reconoce en la observacin habitual de la disminucin de viscosidad de un aceite al calentarlo. Se atribuye la viscosidad de un lquido al frotamiento entre las molculas o las capas vecinas de molculas cuando se desplazan relativamente.

La unidad utilizada para la viscosidad () es el Poise = g/cm.s; el nombre de la unidad deriva del apellido Poiseuille, investigador francs quien hacia 1840 trabajaba en el tema de la circulacin de la sangre sobre cuyo mecanismo influye la viscosidad del fluido sanguneo. El Poise es una unidad demasiado grande de modo que usualmente las viscosidades de los lquidos comunes se expresan en centipoise = 0,01 Poise.

Viscosidades de lquidos expresadas en centipoise

Lquido 0C 20C

Agua 1,792 1,005

Metanol 0,813 0,591

Etanol 1,773 1,200

Eter dietlico 0,286 0,234

Glicerol 4600 850

Tetracloruro de carbono 1,329 0,969

Mercurio 1,684 1,547

Transferencia de calor ente lquidos

Al administrrsele calor a un lquido aumenta su temperatura. Calor especfico es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en 1 grado centgrado (o 1 kelvin) la temperatura de 1 gramo, sin que cambie su estado fsico (calor especfico = cal/g, oC o bien joule/g oC). La capacidad calorfica molar (kcal/mol oC, o bien kilojoule/mol oC) es la cantidad de calor que se le suministra a un mol para que su temperatura aumente un grado Celsius. Si al lquido se le aporta calor a velocidad constante, la temperatura aumentar en forma constante hasta alcanzar su punto de ebullicin. Al llegar a l, permanecer constante hasta que se haya suministrado suficiente calor para que hierva todo el lquido.

El calor molar de vaporizacin (Hvap) de un lquido es el nmero de kilocaloras o kilojoules de calor que debe suministrarse a un mol de dicho lquido en su punto de ebullicin para convertirlo en vapor, sin cambios en la temperatura. Los calores de vaporizacin pueden expresarse tambin en caloras por gramo o joules por gramo. El calor de vaporizacin del agua es 540 cal/g, que corresponde a 9,73 kcal/mol o 40,7 kJ/mol. Las quemaduras causadas por vapor de agua a 100 C son ms peligrosas que las causadas por agua lquida a 100 C, porque la cantidad de calor que comunican es mayor debido a la condensacin del vapor. La condensacin es el proceso inverso de la evaporacin. El calor que debe eliminarse de un vapor para que condense (sin cambios en la temperatura) se denomina calor de condensacin.

evaporacin

Lquido + calor vapor

condensacin

El calor de condensacin de un lquido es igual en magnitud, pero de signo opuesto, al calor de vaporizacin y es liberado por el vapor durante la condensacin.

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El estado slido

Al estado slido se lo califica de perfectamente ordenado. Las partculas de un cristal ocupan posiciones determinadas alrededor de las cuales slo tienen movimientos de vibracin de muy corto alcance. Las distancias entre las partculas son fijas y dependen de la naturaleza qumica del slido. El entorno de una partcula de determinada clase es el mismo en cualquier lugar del cristal. El orden cristalino no se circunscribe a una porcin del mismo, sino que sus partculas se encuentran distribuidas geomtricamente de un modo peridico. En realidad estamos describiendo un cristal perfecto, sistema ideal que no existe en la naturaleza. Lo mismo que los gases ideales, los slidos ideales perfectos son modelos que se conciben a fin de deducir las leyes que rigen su comportamiento y las ecuaciones que describen su estado. Estas leyes y ecuaciones deben ser luego corregidas para que interpreten las propiedades de los slidos reales. Los cristales reales exhiben algunos defectos que son apartamientos de la estructura ideal.

Los slidos pueden ser cristalinos o amorfos. Un slido cristalino es un slido cuyos tomos, iones o molculas, estn ordenados en arreglos bien definidos. Estos slidos suelen tener superficies planas o caras que forman ngulos definidos unos con otros. Los conjuntos ordenados de partculas son los que producen estas caras y tambin provocan que los slidos tengan formas muy regulares. El cuarzo y el diamante son ejemplos de slidos cristalinos.

Un slido amorfo, es un slido cuyas partculas no tienen una estructura ordenada. Estos slidos carecen de caras y formas bien definidas. Muchos slidos amorfos son mezclas de molculas que no se empacan bien entre s. Otros estn compuestos de molculas grandes y complicadas. Entre los slidos amorfos que nos son familiares estn el caucho y el vidrio. Es posible que una misma sustancia pueda existir en estas dos formas. As el SiO2 amorfo es el vidrio comn y en cambio el SiO2 cristalino se conoce como cuarzo.

Estos dos tipos de slidos poseen algunas propiedades en comn y difieren en otras. Entre las primeras se puede mencionar la forma y el volumen propio (las fuerzas de cohesin en el slido son suficientes como para contrarrestar las fuerzas externas), la densidad que generalmente es mayor que la del lquido correspondiente y la difusin que es extremadamente lenta. Al calentar un vidrio se observa que se ablanda gradualmente hasta que comienza a fluir, mientras que el hielo al ser calentado, mantiene sus propiedades mecnicas hasta que a la temperatura de 0C y a una atmsfera de presin, comienza a fundir bruscamente mientras la temperatura se mantiene constante durante el cambio de estado. Esta es una de las diferencias entre los slidos cristalinos y los amorfos, el punto de fusin definido para los primeros y no observable para los segundos. Los slidos cristalinos, como el cloruro de sodio, son anisotrpicos, esto es que sus propiedades fsicas, tales como la resistencia mecnica, ndice de refraccin, conductividad elctrica, varan segn la direccin en la que se midan. Los slidos amorfos, al igual que los lquidos y gases, son isotrpicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partculas en los slidos amorfos, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes. Es habitual reservar la denominacin de slidos o cristales a los que hemos mencionado como slidos cristalinos y llamar lquidos de elevada viscosidad a los vidrios, resinas y plsticos que, aunque rgidos y de elevada cohesin, no tienen sus partculas regularmente ordenadas como los cristales, no tienen temperatura de fusin definida y son istropos.

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Cristales La distribucin de las partculas en un cristal obedece a un patrn llamado el retculo cristalino. Se entiende por tal a un conjunto de direcciones o lneas imaginarias en cuyas intersecciones se encuentran las partculas. Los cristales agrupados en el sistema cbico adoptan alguno de los siguientes retculos cristalinos:

1) Retculo cbico simple: las partculas estn ubicadas en los vrtices de un cubo, como se observa en la parte a) de la siguiente figura.

a) b) c) Cada vrtice es compartido por 8 cubos en la red infinita del cristal, luego en cada cubo del retculo simple hay 8 x 1/8 = 1 partcula neta, esto puede verse en la parte a) de la siguiente figura donde se muestra la porcin de cada tomo que pertenece a la celda unitaria.

a) b) c)

2) Retculo cbico centrado en el cuerpo: hay partculas en cada uno de los 8 vrtices y otra en el centro del cubo (parte b) de las figuras). En este retculo la partcula central pertenece con exclusividad al cubo, que resulta tener 8 x 1/8 + 1 = 2 partculas netas.

3) Retculo cbico centrado en las caras: hay partculas en cada vrtice y en el centro de cada cara (parte c) de las figuras). En este caso, como cada partcula de centro de cara es compartida por 2 cubos contiguos, en cada cubo hay 8 x 1/8 + 6 x = 4 partculas netas.

Clasificacin de los slidos cristalinos Las propiedades de los slidos varan ampliamente. As por ejemplo, el cobre es un buen conductor de la corriente elctrica, es dctil y maleable; el cloruro de sodio no conduce la corriente elctrica al estado slido, es frgil y duro; el diamante (carbono) es muy duro, corta el vidrio y no conduce la corriente elctrica; el naftaleno sublima fcilmente a la temperatura ambiente, lo cual se percibe por el olfato, es blando y no conduce la corriente elctrica.

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Estas y otras propiedades se explican en funcin de los tipos de partculas constitutivas y de la naturaleza de los enlaces que mantienen unidas entre s a esas unidades estructurales de los slidos. De acuerdo con esto, se puede clasificar a los cristales en: metlicos, inicos, de redes covalentes o atmicos y moleculares. a) Cristales metlicos

Se recuerda que las propiedades macroscpicas que caracterizan a la mayora de los metales son: elevadas conductividades elctrica y trmica, ductilidad, maleabilidad y brillo metlico. En estos slidos, los electrones de enlace se encuentran totalmente deslocalizados ocupando orbtales moleculares que se extienden sobre la totalidad del cristal metlico, en el cual los cationes se ubican en posiciones fijas. La movilidad electrnica resultante explica la alta conductividad elctrica y trmica de los metales. Se pueden suministrar electrones por medio de un generador de corriente elctrica a un extremo de un alambre metlico y recuperar una cantidad igual en forma prcticamente instantnea por el otro extremo sin que se produzca ningn cambio observable en las propiedades fsicas o qumicas del metal. Cuando se calienta el metal los electrones libres pueden adquirir energa cintica trmica y al moverse rpidamente a travs del cristal transportar el calor.

b) Cristales inicos Estos son, en general, duros, quebradizos, buenos aislantes y tienen puntos de fusin y ebullicin altos. En la red cristalina inica, se alternan aniones y cationes, entre los cuales actan fuerzas electrostticas de magnitud considerable y no dirigidas, es decir que cada ion del cristal est ligado por fuerzas coulmbicas a todos los otros iones, de tal manera que no hay grupos discretos de partculas. Algunos retculos caractersticos son el del CsCl (cbico centrado en el cuerpo), que aparece en la parte a) de la siguiente figura:

En la estructura de la cicblenda, ZnS (parte b) de la figura anterior), los iones S2- adoptan una celda cbica centrada en las caras, con los iones Zn2+, ms pequeos, dispuestos de modo que cada uno est rodeado por cuatro iones S2- que forman un tetraedro. El CuCl tambin adopta esta estructura. La estructura del NaCl (que consiste en un retculo cbico simple de Na+ interpenetrado con otro igual de Cl-), caracterstico tambin de los xidos y sulfuros de los metales alcalinotrreos. En la parte a) de la siguiente figura hay iones Cl- en las esquinas de la cela unitaria, en b) hay iones Na+ en las esquinas de la celda unitaria:

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Otro retculo es el del CaF2 (retculo de la fluorita, que se observa en la parte c) de la figura de la pgina anterior) que tambin adoptan otros compuestos binarios tipo B2+A2

-. Se denominan retculos de la antifluorita a los de compuestos binarios de frmula general B2

+A2- como los xidos y sulfuros de los metales alcalinos.

c) Cristales de redes covalentes o atmicos Se caracterizan por una elevada dureza, altos puntos de fusin y ebullicin, baja conductividad elctrica y por ser prcticamente insolubles en la mayora de los solventes. Las unidades estructurales son tomos unidos en una red tridimensional por enlaces covalentes direccionales. Este enlace covalente, de pares de electrones localizados, extendido a todo el cristal es lo suficientemente fuerte para justificar las propiedades citadas. Ejemplos tpicos de estos slidos son el diamante, el silicio, un altropo del estao y el carborundo, SiC. En el diamante cada tomo de carbono est unido a otros cuatro tomos de carbono como se muestra en la parte a) de la siguiente figura:

d) Cristales moleculares Estos slidos tienen puntos de fusin y ebullicin bajos o moderados, son blandos, conductores pobres de la corriente elctrica tanto en estado slido como cuando estn fundidos y son generalmente, insolubles en agua. Las fuerzas de unin intermoleculares son interacciones dipolo inducido-dipolo inducido de London en los slidos no polares y dipolo-dipolo o puente de hidrgeno para los polares. Dado que dichas fuerzas son

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dbiles se justifican las propiedades macroscpicas. La mayor parte de las sustancias que a temperatura ambiente son gases, cuando cristalizan forman slidos moleculares, por ejemplo el oxgeno. En cambio aquellas sustancias cuyas molculas son fcilmente polarizables, a la misma temperatura, son slidos. Un ejemplo es el naftaleno.

En la siguiente tabla se resumen las propiedades de los distintos tipos de cristales:

Cristal Tipo de enlace

Dureza Punto de fusin

Conductividad elctrica

Ejemplos

Inico Inico Duros y quebradizos

Bastante altos

Baja NaCl, K2CO3, Na2SO4

Molecular polar

Dipolos permanentes

Blandos Bajos Baja H2O, CO2, CH4

De red covalente

Covalente Duros Altos Baja Diamante Cuarzo (SiO2)

Metlico Metlico Variable Medios y altos

Buena o excelente

Fe, Al, Hg, Na

Molcula no polar

Por fuerzas de London

Muy blandos Muy bajos Muy baja Cl2, He, Ar

Enlace en los slidos

Los slidos cristalinos se clasifican en cuatro categoras, segn los tipos de partculas que forman su retculo y los enlaces e interacciones que se presentan entre ellas. Estas cuatro categoras son:

1) slidos moleculares,

2) slidos covalentes,

3) slidos inicos y

4) slidos metlicos.

Algunas de sus caractersticas son:

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Como las partculas de un slido amorfo carecen de un orden apreciable, las intensidades de las fuerzas intermoleculares varan de una muestra a otra. Por ello, los slidos amorfos no funden a temperaturas especficas. En su lugar, se suavizan durante un intervalo de temperatura a medida que se vencen fuerzas intermoleculares de diversas magnitudes. Por otro lado, un slido cristalino funde siempre a una temperatura especfica.

Celdas unitarias

El orden caracterstico de los slidos cristalinos permite tener la descripcin de un cristal, con slo observar una pequea parte de l. Podemos considerar que el slido est construido por el apilamiento de bloques idnticos que construyen al slido, de forma semejante como una pared se forma apilando ladrillos individuales e idnticos. La unidad que se repite en un slido, el ladrillo cristalino, se conoce como la Celda unitaria. Hay varias formas para seleccionar el patrn de repeticin, celda unitarias, las cuales no sern motivos de estudio en este libro.

Propiedades de los slidos

Punto de fusin

El punto de fusin de un slido (que es el mismo que el punto de congelacin de un lquido) es la temperatura a la que la velocidad de fusin de un slido es la misma que la velocidad de congelacin de un lquido bajo una presin determinada. Es decir, la temperatura a la que el slido y el lquido estn en equilibrio.

congelacin

Lquido slido

fusin

El punto de fusin normal de una sustancia es su punto de fusin a una atmsfera de presin. Las variaciones de los puntos de fusin y ebullicin de las sustancias suelen ser paralelas, ya que son similares las fuerzas intermoleculares de las que dependen. Para el agua slida (hielo) el punto de fusin normal es 0C.

Sublimacin y presin de vapor de slidos

Algunos slidos, como el yodo y el hielo seco (anhdrido carbnico slido), se vaporizan sin pasar por el estado lquido a presin atmosfrica. Se dice que subliman. Al igual que los lquidos, los slidos tienen presiones de vapor, pero son muy inferiores a las de aqullos. Los slidos con presin de vapor elevada subliman fcilmente. Los olores caractersticos de algunos slidos caseros como el naftaleno (bolas de naftalina) se deben a la sublimacin. El proceso inverso, o sea, aquel mediante el cual el vapor solidifica sin pasar por el estado lquido, se denomina deposicin.

sublimacin

slido gas

deposicin

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Algunos slidos impuros pueden purificarse por sublimacin y posterior deposicin del vapor (como slido) sobre una superficie fra.

Transferencia de calor entre slidos:

Cuando se suministra calor a un slido, por debajo de un punto de fusin, su temperatura aumenta. El nmero de caloras necesarias para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de slido es su calor especfico (cal/gramo C). La capacidad calorfica molar (kcal/ mol C) es el nmero de kilocaloras que elevan en un grado Celsius la temperatura de un mol de slido. Cuando se suministra suficiente calor para alcanzar el punto de fusin del slido, la temperatura no vara aunque se siga dando calor mientras coexistan la fase lquida y slida en equilibrio, pero el slido lica. El nmero de caloras necesarias para fundir un gramo de slido en su punto de fusin es el calor de fusin (cal/g). El trmino fusin significa

literalmente derretimiento. El calor molar de fusin, Hfus = Kcal/mol, es el nmero de kilocaloras que debe absorber un mol de slido en su punto de fusin para fundir.

El calos de solidificacin es igual en magnitud al calor de fusin. Representa la cantidad de calor que debe eliminarse de una cantidad dada de lquido en su punto de congelacin para que solidifique. Para el agua este calor es:

-79,8 cal/g

Agua Hielo a 0C

+79,8 cal/g

Al igual que en el caso de un lquido, la cantidad de calor (Q) involucrada en el calentamiento o

enfriamiento de un slido viene dada por: Q = m . C . T, donde los trminos son idnticos a los ya vistos para un lquido, excepto C, que ahora corresponde al calor especfico del slido.

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