INTRODUCCIÓN

El presente trabajo es una investigación documental enfocada en los

sólidos y líquidos (hierro y agua), resaltando su descripción cinético-

molecular, las fuerzas intermoleculares existentes en ellos, sus

propiedades, la estructura y tipo de enlace presente en los mismos, y su

uso y aplicación a nivel industrial.

Así mismo, la materia es todo lo que ocupa espacio, volumen y posee

masa. Además se puede encontrar en los tres estados de agregación;

solido, liquido y gaseoso. Sin embargo los estados de la materia más

estudiados debido a su tangibilidad son, solido y liquido. El hierro por

ejemplo, es un metal que en su estado natural es solido; no obstante este

pude cambiar a estado liquido al someterse a altas temperaturas, se

puede encontrar en la corteza terrestre en un 6,2 % en masa; por ser una

sustancia monoatómica posee características y propiedades muy

diferentes a las de una sustancia molecular como es el caso del agua.

De la misma manera el agua es una sustancia molecular que esta

formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, su estado

natural es el liquido, sin embargo al someterla a diferentes temperaturas

pude cambiar a los estados, solido y gaseoso.

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DESCRIPCIÓN CINÉTICA-MOLECULAR

La descripción cinética-molecular, consiste en describir el

comportamiento y las propiedades de la materia.

Descripción cinética-molecular del hierro (Fe)

El hierro es un metal magnético, maleable y de color blanco brillante,

pertenece al grupo de los metales de transición y es el mas abundante de

la corteza terrestre (6.2% en masa), posee un a estructura cristalina

cubica centrado en el cuerpo y una electronegatividad de 1,8. El hierro

puro en estado natural es solido (ferromagnetico) a temperatura ambiente

y presión atmosférica, con una densidad de 7.86 g/cm3, y con una dureza

que oscila entre 4 y 5. Se puede presentar en su fase solida en cuatro

formas alotrópicas: hierro ordinario o hiero alfa, hierro beta, hierro gamma

y hierro delta. Sin embargo el hierro pude llegar a estado líquido en un

punto de fusión de 1536 ºC formando una masa esponjosa, que

posteriormente se podrá trabajar a través de moldes o procesos químicos,

mecánicos o térmicos; y en estado gaseoso en un punto de ebullición de

3000 ºC.

Descripción cinética-molecular del agua (H2O)

El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Es el compuesto

más abundante e importante de nuestro planeta. Por ser un líquido, tiene

un volumen definido y adopta la forma de su contenedor. Además es

ligeramente compresible, por lo que sus moléculas se deslizan entre si

libremente. En la naturaleza se halla en los tres estados de agregación:

solido (hielo), cuya energía cinética es muy baja, casi inmóviles, en

estado líquido (agua), al tener mas temperatura aumenta la energía

cinética por lo tanto el movimiento de las moléculas es mayor,

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produciendo roturas en los enlaces de hidrógeno, y en estado gaseoso

(vapor) la energía cinética es tal que se rompen todos los enlaces de

hidrógeno quedando todas las moléculas libres. Es una molécula muy

polar debido a la gran diferencia de electronegatividad entre el hidrogeno

(2.1) y el oxigeno (3.5). El agua posee una densidad de 1g/cm3. El punto

de ebullición es de 100ºC y el punto de sodificacion o congelación es de

0º, bajo la presión de una atmosfera.

FUERZAS INTERMOLECULARES

Las fuerzas intermoleculares, son fuerzas de atracción y repulsión

entre moléculas, como consecuencia de la polaridad que poseen las

mismas. Entre las fuerzas intermoleculares tenemos: dipolo-dipolo, ion-

dipolo, dispersión de London y puentes de hidrogeno.

En el caso del agua (H2O) por ser una sustancia cuya molécula esta

formada por dos átomos de hidrogeno (H2) y uno de oxigeno (O), la

fuerza intermolecular que actúa entre sus moléculas se denomina puente

de hidrogeno (ver figura 1.1), es una caso de interacción dipolo-dipolo

muy fuerte y, se presenta entre moléculas covalentes polares que tienen

H y uno de los tres elementos muy electromagnéticos de tamaño

pequeño; F, O ó N. El agua tiene dos tipos de enlaces: los enlaces

covalentes que existen entre los átomos de hidrogeno y los de oxigeno

dentro de una molécula, y los puentes de hidrogeno, que pueden existir

entre átomos de hidrogeno de distintas moléculas de agua. En el agua

cada molécula esta enlazada a otra por puentes hidrogeno y se forma un

agregado tridimensional de moléculas de agua.

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Figura 1.1 Puente de hidrogeno (señalado por las flechas azules)

El hierro es una sustancia metálica monoatómica en la cual no actúa

ningún tipo de fuerza intermolecular, sin embargo actúa una fuerza de

atracción entre partículas (cationes-electrones) que forman un enlace

metálico, este es un enlace químico que une a los átomos de los metales,

cuyo modelo más sencillo se conoce como “mar de electrones” (ver figura

1.2), este modelo representa como un conjunto ordenado de iones

positivos, se encuentran anclados en su posición, como boyas en un

“mar” móvil de electrones. Las sustancias metálicas como el hierro se

caracterizan por tener propiedades como: conductividad eléctrica elevada,

conductividad térmica elevada, ductilidad y maleabilidad, brillo e

insolubilidad en agua y en otros disolventes comunes.

Figura 1.2 Mar de electrones. Cada esfera representa un núcleo y los electrones internos un átomo metálico.

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PROPIEDADES DEL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO

Viscosidad (N-s/m2)

La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir; cuanto mas viscoso

es un líquido, más lento es su flujo. La viscosidad de un liquido suele

disminuir con el aumento de la temperatura; por esta razón la mezcla

caliente fluye mas rápido que cuando esta fría. Los líquidos con fuerzas

intermoleculares fuertes son mas viscosos que los que tienen fuerzas

intermoleculares débiles; es por esto que el agua tiene mayor viscosidad

tiene mayor viscosidad que muchos otros liquido por su capacidad para

formar puente de hidrogeno.

Tensión superficial (dinas/ cm)

La tensión superficial es una medida de fuerza elástica que existe en la

superficie de un líquido; es la cantidad de energía necesaria para estirar o

aumentar las fuerzas de un líquido por unidad de área. Los líquidos que

tienen fuerzas intermoleculares grandes también poseen tensiones

superficiales altas. Como consecuencia de los puentes de hidrogeno, el

agua tiene una tensión superficial mucho mayor que la mayoría de los

líquidos.

Fuerza de cohesión

La cohesión es una fuerza intermolecular de atracción, es decir, que

une moléculas similares unas de las otras, como los puentes de

hidrogeno en las moléculas del agua.

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Fuerza de adhesión

La adhesión es una fuerza intermolecular de atracción entre moléculas

distintas, es decir, que une una sustancia a una superficie. El agua

colocada en un tubo de vidrio se adhiere al vidrio porque las fuerzas de

adhesión entre el agua y el vidrio son más intensas que las fuerzas de

cohesión entre las moléculas de agua.

Presión de vapor (torr)

Es la presión parcial de las moléculas de vapor sobre la superficie del

líquido en equilibrio a una temperatura dada. Debido a que la rapidez de

evaporación aumenta conforme lo hace la temperatura, la presión de

vapor de los líquidos siempre aumenta a medida que la temperatura

aumenta.

Punto de ebullición (ºC)

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor

de un líquido es igual a la presión externa. El punto de ebullición normal

de un líquido es la temperatura a la cual hierve cuando la presión externa

es exactamente igual a 1 atmosfera (760torr). El punto de ebullición

normal del agua es de 100 ºC; su presión de vapor a esta temperatura es

760 mm de Hg.

Calor especifico (J/g. ºC)

El calor especifico (J/g. ºC) o la capacidad calórica molar (J/mol. ºC) de

un liquido es la cantidad de calor que debe suministrarse a la masa

establecida del liquido para elevar su temperatura a grados Celsius. Si se

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suministra calor a u liquido a presión constante, la temperatura aumenta

hasta alcanzar su punto de ebullición.

Punto de fusión (ºC)

El punto de fusión de un solido o el punto de congelación de un liquido

es la temperatura a la cual las fases solidas y liquidas coexisten en

equilibrio. El punto de fusión (o congelación) normal de una sustancia es

la temperatura a la cual una sustancia se funde (o se congela) a 1

atmosfera de presión.

Propiedades liquidas del agua (H2O)

Viscosidad (a 20 ºC) 1.01 x 10-3 (N-s/m2)

Tensión superficial (a 20 ºC)

72.8 dinas/cm

Presión de vapor (a 100 ºC)

760 torr (1 atm)

Fuerza de cohesión alta

Fuerza de adhesión alta

Punto de ebullición 100 ºC

Calor especifico 1 caloría/g ºC

Punto de fusión 0 ºC

CURVA DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL AGUA

La curva de calentamiento es una grafica que representa la absorción

de calor, por esas sustancias, cuando pasa del estado solido al estado de

vapor. (Ver figura 2.1)

.

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Figura 2.1 Curva de calentamiento del agua.

El calentamiento del hielo de -25 ºC se representa con el segmento de

la línea AB. La conversión del hielo a 0 ºC a agua a 0 ºC origina el

segmento horizontal BC. La adición de más calor aumenta la temperatura

del agua hasta llegar a 100 ºC (segmento CD). En ese momento el calor

se utiliza para convertir agua en vapor a una temperatura constante de

100 ºC (segmento DE). Una vez que toda el agua se ha convertido en

vapor, este se calienta a su temperatura final de 125 ºC (segmento EF).

Las curvas de enfriamiento son una representación gráfica de la

temperatura de un material frente al tiempo conforme este se enfría. (Ver

figura 2.2)

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Figura 2.2 Curva de enfriamiento del agua

DIAGRAMAS DE FASES (PRESIÓN CONTRA T)

Los diagramas de fases muestran las relaciones del equilibrio

temperatura-presión entre fases diferentes de una sustancia pura en un

sistema cerrado. (Ver figura 3.1). Los diagramas de fases permiten

predecir los cambios de punto de fusión y el punto de ebullición de una

sustancia debido a los cambios de la presión externa. También permiten

anticipar las direcciones de las transiciones de las fases producidas por

los cambios de temperatura y presión.

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Figura 3.1 Diagrama de fases del agua

Las graficas (a y b) se dividen en tres regiones y cada una representa

una fase pura. La línea que separa dos de las regiones indica las

condiciones de presión y temperatura en las cuales pueden coexistir dos

fases en equilibrio. En la grafica a indica el punto en el que las tres fases

pueden coexistir en equilibrio (0.006 atm y 0.01 ºC). En la grafica b se

aprecia que a medida que se incrementa la presión del hielo desciende su

punto de fusión y que al incrementar la presión del agua se eleva su

punto de ebullición.

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Figura 3.2 Diagrama de fases del hierro puro.

El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y

distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se

observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1)

líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α.

Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida

a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el

enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase

producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C

se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a

temperatura ambiente.

ESTRUCTURAS DE SOLIDOS: AMORFOS Y CRISTALINOS

Los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos (no cristalinos). Un solido

amorfo (sin forma) es una solido cuyas partículas no tienen una estructura

ordenada. Estos sólidos carecen de formas y caras bien definidas.

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Un solido cristalino es un solido cuyos átomos, iones o moléculas

están ordenados en disposiciones bien definidas. Estos sólidos suelen

tener superficies planas o caras que forman ángulos bien definidos entre

si. Los sólidos tienden a cristalizar en formas geométricas bien definidas

que con frecuencia pueden apreciarse a simple vista. Los cristales tienen

formas geométricas definidas debido a que los átomos o los iones

presentes están ordenados según un patrón tridimensional definido. Entre

las estructuras o celdas presentes en los metales tenemos: cubica

sencilla (SC), cubica centrada en las caras (FCC) y cubica centrada en el

cuerpo (BCC). (Ver figura 4)

Figura 4 Tipos de celdas (estructuras) que se ven en las redes cubicas

En el caso del hierro que es un metal cristalino, posee una estructura

centrada en el cuerpo (BCC), es decir, su estructura es un cubo con

átomos en cada vértice y uno en el centro del cubo.

TIPOS DE ENLACES PRESENTES EN LOS SOLIDOS

Sólidos moleculares

Los sólidos moleculares consisten en átomos o moléculas unidos por

fuerzas intermoleculares, fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de

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London y puentes de hidrogeno. Se caracterizan por ser blandos, con

punto de fusión de bajo a moderadamente alto, baja conductividad

térmica y eléctrica.

Sólidos de red covalente

Los sólidos de red covalente consisten en átomos unidos en grandes

redes o cadenas mediante enlaces covalentes. Estos se caracterizan por

ser, muy duros, con un punto de fusión muy alto, comúnmente bajo en

conductividad térmica y eléctrica.

Sólidos iónicos

Los sólidos iónicos consisten en iones que se mantienen unidos por

enlaces iónicos; las fuerzas del enlace iónico dependen en gran medida

de las cargas de los iones. Estos se caracterizan por ser, duros y

quebradizos, alto punto de fusión, baja conductividad térmica y eléctrica.

Sólidos metálicos

Los sólidos metálicos consisten exclusivamente en átomos de metal.

Los sólidos metálicos suelen tener estructuras de empaquetamiento

hexagonal, de empaquetamiento compacto cubico (cúbica centrada en las

caras) o cúbica centrada en el cuerpo. (Ver figura 4)

El hierro es un tipo de solido cristalino, que se caracteriza por

presentar características propias de un solido metálico, puede ser blando

o muy duros, su punto de fusión suelen ser desde bajos hasta altos, son

excelentes conductores térmicos y eléctricos, son maleables y dúctiles.

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USO Y APLICACIÓN DEL HIERRO A NIVEL INDUSTRIAL

En la industria el Hierro y sus derivados tiene una amplio uso por el ser

humano, ya que es fácilmente moldeable a altas temperaturas pero a

temperatura ambiente es extremadamente resistente a los esfuerzos,

mecánicos, químicos o vibracionales. El hierro es el metal más usado, con

el 95% en peso de la producción mundial de metal. Se considera que una

aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el

porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es

indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en

automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios.

El hierro es uno de los materiales más utilizados y aplicados para la

construcción de toda clase de objetos y herramientas. El hierro dulce,

aleación del hierro con pequeñas cantidades de carbón, forja, soldadura,

y debido a su magnetismo, en electroimanes, aparatos eléctricos,

motores, etc. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos

siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros

elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren

distintas propiedades al material.

USO Y APLICACIÓN DEL AGUA A NIVEL IDUSTRIAL

El agua es el compuesto más abundante e importante de nuestro

planeta. El uso del agua va aumentando en relación a la cantidad de agua

disponible. A escala mundial, el 70% de la extracción anual de agua para

el uso humano se destina a la agricultura (principalmente para regadío);

para la industria el 22% y para el consumo doméstico (el hogar, agua de

boca y saneamiento) representa un 8%.

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La industria, como motor esencial del crecimiento económico, requiere

recursos suficientes de agua como materia prima básica; entre los

principales usos del agua en la industria tenemos: en los sanitarios, se

emplean en inodoros, duchas e instalaciones que garanticen la higiene

personal, transmisión de calor o refrigeración, aproximadamente el 80 %

del agua industrial corresponde a esta aplicación, siendo las centrales

térmicas y nucleares las instalaciones que mas agua necesitan,

producción de vapor, la utilizan para la obtención de un medio de

calentamiento del liquido que se desea elaborar, en la utilización como

disolvente en lo diferentes procesos productivos, y uno de los uso mas

importantes que puede tener el agua, es la obtención de energía a través

de las centrales hidroeléctricas y las actividades que usan vapor de agua

para el movimiento de turbinas.

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CONCLUSIÓN

Aunque los seres humanos viven inmersos en una mezcla de gases

que conforman la atmosfera de la tierra, están más familiarizados con el

comportamiento de los líquidos y sólidos. A diario se utiliza el agua,

liquido de suma importancia para los seres humanos, con el cual realizan

innumerables actividades de la vida cotidiana, como cocinar, bañarse,

lavar, beber y a nivel industrial; también se esta en contacto con

materiales sólidos como lo es el hierro, que puede estar presente al

manipular y utilizar objetos diariamente, como la reja de la casa, las

monedas, las sillas, entre otras…

Igualmente el agua es un líquido vital para los seres humanos, la

podemos encontrar en tres estados, solido (hielo), liquida (agua) y

gaseosa (vapor). Es una sustancia molecular en la cual actúan ciertas

fuerzas de atracción como lo son el puente de hidrogeno, fuerza de

cohesión y adhesión; en las cuales se aprecia las propiedades de esta

sustancia en estado liquido, como lo es la viscosidad, tensión superficial,

punto de ebullición, etc.

Así mismo el hierro que es una sustancia monoatómica, a diferencia

del agua en el no actúa una fuerza intermolecular, sino que por ser un

solido metálico en el esta presente los enlaces metálicos y además

cumple con ciertas características propias de este tipo de solido.

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BIBLIOGRAFÍA

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HEIN, Arenas. –Fundamentos de química-. Editorial Thomson

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Prentice Hall.

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Propiedades del hierro. www.lenntech.com

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