Las fuerzas intermoleculares y los líquidos y sólidos Unidad 5 y 6 Copyright © The McGraw-Hill...
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Las fuerzas intermoleculares y los líquidos y sólidos
Unidad 5 y 6
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Química, R. Chang, Séptima Edición.
Una fase es una parte homogénea de un sistema y aunque está en contacto con otras partes del mismo, está separada de esas partes por un límite bien definido.
2 fasesFase sólida - hielo
Fase líquida - agua
11.1
Propiedades características de gases, líquidos y sólidosEstado dela materia Volumen/forma Densidad Compresibilidad Movimiento molecularGas Asume la forma y el volumen Baja Muy compresible Muy libre
del recipiente que lo contiene
Líquido Tiene volumen definido pero asume Alta Ligeramente compresible Se deslizan entre sí la forma del recipiente que lo contiene libremente
Sólido Tiene forma y volumen definidos Alta Prácticamente incompresible Vibraciones alrededor de posiciones fijas
Fuerzas intermoleculares
11.2
Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas.
Fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos de una molécula.
Fuerzas intermoleculares contra fuerzas intramoleculares
• 41 kJ de energía para evaporar 1 mol de agua (inter)
• 930 kJ de energía para romper los dos enlaces O-H en 1 mol de moléculas de agua (intra)
Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares.
“Magnitud” de las fuerzas intermoleculares
puntos de ebullición
puntos de fusión
Hvap
Hfus
Hsub
Fuerzas intermoleculares
Fuerzas dipolo-dipolo
son las fuerzas de atracción entre moleculas polares
Orientación de moleculas polares en un sólido
11.2
Fuerzas intermoleculares
Fuerzas ion-dipolo
son las fuerzas de atracción entre ion y una molécula polar
11.2
Interacción ion-dipolo
Fuerzas intermoleculares
Fuerzas de dispersión
son fuerzas de atracción que se generan por los dipolos temporales inducidos en los átomos o moléculas
11.2
Distorsión causada por la aproximación de un catión
interacción catión-dipolo inducido
Distorsión causada por la aproximación de un dipolo
interacción dipolo-dipolo inducido
Distribución de carga esférica en un átomo de helio
Catión
Dipolo
Dipolo inducido
Dipolo inducido
Fuerzas intermoleculares
Fuerzas de dispersión
11.2
Polarizabilidad qué tan fácil se distorsiona la distribución electrónica del átomo (o de las moléculas)
Polarizabilidad incrementa a medida que:
• aumenta el número de electrones,
• se hace mas difusa la nube electrónica.
Las fuerzas de dispersión usualmente aumentan con la masa molar.
Puntos de fusión de compuestos no polares similares
Puntos de fusión
Compuestos (°C)
SO
O
¿Qué tipo(s) de fuerzas intermoleculares existen entre cada una de las siguientes moléculas?
HBrHBr es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo, además de las fuerzas de dispersión entre moléculas de HBr.
CH4
CH4 es no polar: fuerzas de dispersión.
SO2
SO2 es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo, además de las fuerzas de dispersión entre moléculas de SO2.
11.2
Fuerzas intermoleculares
El enlace de hidrógeno
11.2
El enlace de hidrógeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el átomo de hidrógeno de un enlace polar, como N-H, O-H o F-H y un átomo electronegativo de O, N o F.
A H…B A H…Ao
A y B representan N, O o F
¿Por qué se considera que el enlace de hidrógeno es una interacción dipolo-dipolo “especial”?
Disminución de la masa molary del punto de ebullición
11.2Periodo
Pu
nto
de
ebu
llic
ión
(°C
) Grupo 6A
Grupo 7A
Grupo 5A
Grupo 4A
Propiedades de los líquidos
Tensión superficial es la cantidad de energía requerida para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área.
Fuerzas intermoleculares
fuertes
Alta tensión
superficial
11.3
Propiedades de los líquidos
Cohesión es la atracción intermolecular entre moléculas afines
11.3
Adhesión es la atracción entre moléculas no afines
Adhesión
Cohesión
Propiedades de los líquidos
Viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir.
11.3
Fuerzas intermoleculares
fuertes
Viscosidadalta
Viscosidad de algunos líquidos comunes a 20 °C
ViscosidadLíquido (N s/m2)*
Acetona (C3H6O)
Benceno (C6H6)
Sangre
Tetracloruro de carbono (CCl4)
Etanol (C2H5OH)
Éter dietílico (C2H5OC2H5)
Glicerol (C3H8O3)
Mercurio (Hg)
Agua (H2O)* Las unidades en el SI de la viscosidad son el newton-segundo por metro cuadrado.
Densidad máxima4 °C
El hielo es menos denso que el agua
Densidad del agua
11.3
El agua es una sustancia única
Estructura 3-D
del hielo
Temperatura (°C)
De
ns
ida
d (
g/m
L)
Tipos de cristales
Cristales iónicos• Puntos de red ocupados por cationes y aniones• Se mantienen unidos por atracción electrostática• Punto de fusión alto, duro y brillante• Pobre conductor del calor y la electricidad
CsCl ZnS CaF2
11.6
Tipos de cristales
Cristales covalentes • Puntos de red ocupados por átomos• Se mantienen unidos por enlaces covalentes• Duro, punto de fusión alto• Pobre conductor del calor y la electricidad
11.6diamante grafito
átomos decarbono
Tipos de cristales
Cristales moleculares• Puntos de red ocupados por moléculas• Se mantienen unidos por fuerzas intermoleculares• Suave, bajo punto de fusión• Pobre conductor del calor y la electricidad
11.6
Tipos de cristales
Cristales metálicos • Puntos de red ocupados por átomos de metal• Los átomos se mantienen juntos por enlaces metálicos• Suave a duro, bajo a alto punto de fusión• Buenos conductores del calor y la electricidad
11.6
Sección transversal de un cristal metálico
Núcleo ye- internos
“mar” móvilde e-
11.6
Tipos de cristales
Tipos de cristales y propiedades generalesTipo Fuerza(s) que mantiene(n)de cristal las celdas unidas Propiedades generales Ejemplos
Iónico Atracción electrostática Duro, brillante, alto punto de fusión, pobre NaCl, LiF, MgO, CaCO3
conductor del calor y la electricidad
Covalente Enlace covalente Duro, alto punto de fusión, pobre C(diamante), †SiCO2 (cuarzo)conductor del calor y la electricidad
Molecular* Fuerzas de dispersión, fuerzas Suave, bajo punto de fusión, pobre Ar, CO2, I2, H2O, C12H12O11
dipolo-dipolo, enlaces de H conductor del calor y la electricidad (sacarosa)
Metálico Enlace metálico Suave a duro, bajo a alto punto de fusión, Todos los elementos metálicos;buen conductor del calor y la electricidad ejemplo, Na, Mg, Fe, Cu
* Se incluyen en esta categoría los cristales formados por átomos individuales.
† El diamante es un buen conductor térmico.
E
vapo
raci
ónMayororden
Menororden
11.8C
onde
nsac
ión
Cambios de faseGas
Líquido
Sólido
Tem
per
atu
ra
T2 > T1
Nú
me
ro d
e m
olé
cula
sN
úm
ero
de
mo
lécu
las
E1
Energía cinética E
E1
Energía cinética E
La presión de vapor de equilibrio es la presión de vapor medida cuando un equilibrio dinámico existe entre la condensación y la evaporación
H2O (l) H2O (g)
Velocidad decondensación
Velocidad deevaporación=
Equilibrio dinámico
11.8
Velocidad de evaporación
Equilibrio dinámico establecido
Velocidad de condensación
Vel
oci
dad
Tiempo
Antes de laevaporación
En el equilibrio
11.8
Aparato para medir la presión de vapor de un líquido
Líquido Líquido
Espaciovacío
Vacío
Calor molar de vaporización (Hvap) es la energía requrida para vaporizar 1 mol de un líquido.
ln P = -Hvap
RT+ C
Ecuación de Clausius-Clapeyron
P = presión de vapor (equilibrio)
T = temperatura (K)
R = constante de los gases (8.314 J/K•mol)
11.8
Presión de vapor vs. Temperatura
Temperatura (°C)
Pre
sió
n d
e v
ap
or
(atm
) Éter dietílico
Agua Mercurio
El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor (equilibrio) de un líquido es igual a la presión externa.
El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual el líquido ebulle cuando la presión externa es de 1 atm.
11.8
Calor molar de vaporización para líquidos seleccionados
Substancia Punto de ebullición* Hvap (kJ/mol)
Argón (Ar)
Benceno (C6H6)
Etanol (C2H5OH)
Éter dietílico (C2H5OC2H5)
Mercurio (Hg)
Metano (CH4)
Agua (H2O)
* En °C y medido a 1 atm
Fus
ión
11.8C
onge
laci
ón
H2O (s) H2O (l)
El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida coexisten en el equilibrio
Gas
Líquido
Sólido
Tem
per
atu
ra
Cambios de fase
Calor molar de fusión (Hfus) es la energía requerida para fundir 1 mol de una sustancia sólida.
11.8
Calor molar de fusión para líquidos seleccionados
Substancia Punto de ebullición* Hfus (kJ/mol)
Argón (Ar)
Benceno (C6H6)
Etanol (C2H5OH)
Éter dietílico (C2H5OC2H5)
Mercurio (Hg)
Metano (CH4)
Agua (H2O)
* En °C y medido a 1 atm
Curva de calentamiento
Punto de ebullición
Punto de fusión
en equilibrioSólido y líquido
Líquido y vaporen equilibrio
Líquido
Sólido
Vapor
Tiempo
Tem
per
atu
ra
11.8
Sub
limac
ión
11.8
Dep
osic
ión
H2O (s) H2O (g)
Calor molar de sublimación (Hsub) es la energía requerida para sublimar 1 mol de un sólido.
Hsub = Hfus + Hvap
(Ley de Hess)
Cambios de faseGas
Líquido
Sólido
Tem
per
atu
ra
Un diagrama de fase resume las condiciones a las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas.
Diagrama de fases del agua
11.8Temperatura
Pre
sió
n SólidoLíquido
Vapor
11.8
Temperatura
Pre
sió
n
SólidoLíquido
Vapor
Diagrama de fases del dióxido de carbono