EV – Teoría de los estados de la materia

Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Escuela de Química
Departamento de Química General
Curso: Química General II
Clasificación Estados de la Materia
GASES
1. Gases carecen de forma
definida: llenan en su
totalidad el recipiente
2. Comprensibles
LIQUIDOS
1. Carecen de forma definida:
asumen forma del recipiente
SOLIDOS
1. Forma definida (resisten a la
deformación).
2. Casi incomprensibles.
3. Baja densidad g/L
2. Ligeramente comprensibles.
Volumen definido.
3. Alta densidad g/mL
4. Fluidos
4. Fluidos
5. Se difunden con rapidez
6. Partículas extremadamente
desordenadas, mucho espacio
vacío, movimiento aleatorio
rápido en 3 direcciones.
5. Se difunden a través de otros
líquidos.
6. Conjuntos desordenados de
partículas muy cercanas entre
sí, con movimiento aleatorio
tridimensional.
GAS
LIQUIDO
Enfriamiento
o aumento de presión
Calentamiento
O disminución de presión
3. Mayor densidad que los
líquidos.
4. No son fluidos
5. Se difunden muy lentamente
a través de otros sólidos
6. Orden determinado de
partículas; únicamente con
movimiento vibratorio,
partículas muy cercanas
entre sí.
SOLIDO
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Escuela de Química
Departamento de Química General
Curso: Química General II
LIQUIDOS, SOLIDOS Y CAMBIOS DE ESTADOS
Los Estados Condensados de la Materia: Líquido y Sólido
Los gases se pueden convertir en líquido cuando se baja su temperatura y/o se aumenta su presión. Esto se
debe a que al enfriar el gas la energía cinética promedio de sus moléculas disminuye, y por lo tanto su
movimiento se reduce. Al reducirse el movimiento de las moléculas, el efecto que ejercen las fuerzas de
movimiento de las moléculas es mayor. Si la temperatura se reduce lo suficiente, la magnitud de estas fuerzas
es suficiente para limitar el movimiento de las moléculas, de manera que las moléculas no se pueden mover
independientemente unas de las otras. Este es el estado líquido. En este estado de la materia, las moléculas se
comportan en forma más ordenada que en el estado gaseoso.
La estructura de los líquidos no está muy bien establecida; aún no se conoce claramente como las moléculas
se acomodan en el estado líquido. Sólo sabemos que a la temperatura y presión ordinarias, las moléculas en el
líquido están mucho más cerca unas de las otras que en el estado gaseoso: el espacio libre entre las moléculas
debe ser muy pequeño.
Cuando un líquido se enfría lo suficiente, este se convierte en sólido. En el estado sólido el movimiento está
más restringido que en el líquido. Las moléculas (o partículas), en el sólido prácticamente se tocan y están
vibrando ligeramente sobre un punto más o menos fijo.
En la siguiente figura comparamos las estructuras de los tres estados de la materia:
Ejercicio No.1
Compare el estado líquido y el estado sólido en cuanto a:
a)
b)
c)
distancias intermoleculares
movimientos de las moléculas
magnitud de las fuertas intermoleculares
Propiedades de los Líquidos:
Las distancias relativamente pequeñas que existen entre las moléculas de los líquidos dan origen a las
siguientes propiedades:
1.
Los líquidos retienen su volumen, pero no retienen su forma.
Esto se debe a que las fuerzas de atracción intermoleculares en el estado líquido mantienen las moléculas
juntas, pero no las mantienen fijas en posiciones definidas.
2.
Los líquidos no se pueden comprimir.
Debido a que el espacio libre entre las moléculas es tan pequeño, el volumen de un líquido
prácticamente no cambia, aún cuando se apliquen presiones altas. Sin embargo, un aumento en la
temperatura por lo general aumenta ligeramente el volumen del líquido y por consiguiente disminuye su
densidad.
....2....Líquidos, Sólidos y Cambios de Estados......
3.
Los líquidos se difunden más lentamente que los gases.
Esto se debe a que el movimiento de las moléculas en el estado líquido está más restringido que en el gas.
4.
Los líquidos poseen tensión superficial.
La tensión superficial de un líquido se define como el trabajo que es necesario realizar para expandir la
superficie del líquido por una unidad de área. Esta propiedad la podemos observar si deslizamos
cuidadosamente una grapa sobre la superficie del agua. Aunque la densidad de la grapa es mayor que la
del agua, la grapa flotará sobre la superficie y la superficie del agua actuará como si fuera una delgada
piel o “membrana”. Para que la grapa se hunda es necesario romper esa membrana de la superficie.
_____________________________________
SUPERFICIE DEL
LIQUIDO
La tensión superficial se puede explicar en términos de las fuerzas de atracción intermoleculares y es una
medida de la magnitud de estas fuerzas. Las moléculas que se encuentran en el centro de un líquido son
atraídas en todas direcciones con igual fuerza. Sin embargo, las moléculas de la superficie son atraídas
solamente hacia el interior del líquido.
Esta fuerza que actúa hacia adentro del líquido hace que las moléculas de la superficie se acerquen más entre
sí, el área de las superficie tiende a ser menor y se produce una “membrana”. La tensión superficial es
responsable de que las gotas de los líquidos asuman formas esféricas y de que la superficie de un líquido
asuma una curvatura (menisco), cuando se echan en un tubo estrecho. Por ejemplo, cuando se echa agua en
una probeta, las moléculas de la superficie del agua son atraídas con mayor fuerza por el vidrio de las paredes
de la probeta que por las otras moléculas de agua y se adhieren al vidrio, halando la superficie del agua hacia
arriba.
Ejercicio No.2
1. Usando la teoría cinética molecular, explique por qué:
a) los líquidos no mantienen su formas
b) los líquidos no se comprimen
c) los gases se difunden más rápido que los líquidos
2.
3.
4.
Explique qué efecto tiene la temperatura sobre la densidad de un líquido
Defina tensión superficial
Explique dos situaciones en que se manifiesta la tensión superficial de un líquido.
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Escuela de Química
Departamento de Química General
Curso: Química General II
FOLLETO 2
LIQUIDOS, SOLIDOS Y CAMBIOS DE ESTADOS
5.
Los líquidos se evaporan:
Esto significa que las moléculas escapan de la superficie del líquido hacia el exterior y se convierten en
gas o vapor. Cuando el líquido se encuentra en un envase abierto, este proceso continúa hasta que todo el
líquido desaparece. Como las fuerzas intermoleculares en el estado líquido son mayores que en el estado
gaseoso, la evaporación requiere que las moléculas absorban la energía suficiente para romper estas
fuerzas y convertirse en vapor. Por ejemplo, para hervir agua, le aplicamos calor en la forma de una
llama. Cuando un líquido se evapora a la temperatura del ambiente, absorbe calor de los alrededores.
Cuando una persona se moja, siente frío porque el agua al evaporarse absorbe calor de su cuerpo, y por
lo tanto baja su temperatura.
La cantidad de calor que se requiere para evaporar un mol de un líquido a una presión externa constante y
a una temperatura específica se conoce como el CALOR MOLAR DE VAPORIZACION, y se representa
como Δ Hvap. El calor de vaporización es una medida de la magnitud de las fuerzas intermoleculares del
líquido. En general, mientras mayores son las fuerzas intermoleculares del líquido, mayor es el calor de
vaporización. Por ejemplo, el calor de vaporización del agua es aproximadamente 10 Kcal/mol, mientras
que el del metano (CH4), es aproximadamente 2 Kcal/mol.
6.
Los líquidos tienen presiones de vapor características.
Si un líquido se echa en un envase cerrado, sólo se evapora una cantidad pequeña del líquido. Algunas
de las moléculas del líquido poseen energía cinética suficiente para escapar del líquido y convertirse en
vapor, pero no pueden salir del envase. De vez en cuando algunas de las moléculas del vapor pueden
chocar con la superficie del líquido y regresar al estado líquido. Es cambio de estado se conoce como
CONDENSACION. A medida que se evapora una cantidad mayor de líquido, el número de moléculas
en el vapor aumenta y por consiguiente aumenta también la probabilidad de que éstas choquen con la
superficie del líquido y se condensen.
Después de cierto tiempo, la rapidez de condensación será igual a la rapidez de evaporación: el número
de moléculas/segundo que se escapan del líquido es igual al número de moléculas/segundo que regresan
al líquido. En general, la condición en la cual dos cambios opuestos ocurren a la vez y con la misma
rapidez recibe el nombre de EQUILIBRIO DINAMICO. El resultado es una condición de equilibrio en
que no se observa ningún cambio neto, porque un cambio cancela al otro. En este caso particular se
establece un equilibrio entre el líquido y el vapor, que se puede representar así:
Líquido ========> vapor
<==========
...2.... Líquidos, Sólidos y Cambios de Estados.....Folleto 2.....
La flecha doble indica que hay equilibrio entre los dos estados. Cuando la sustancia ha llegado a este
equilibrio líquido – vapor, la cantidad de las moléculas en el estado gaseoso se mantiene constante. La
presión ejercida por el gas o vapor que está en equilibrio con el líquido a una temperatura determinada se
conoce como PRESION DE VAPOR del líquido. La presión de vapor de un líquido sólo depende de:
a) La naturaleza del Líquido
Mientras mayores sean las fuerzas intermoleculares en el líquido, menor será el número de moléculas
capaces de escapar al estado de vapor y menor será su presión de vapor. Cuando a temperatura
ambiente un líquido tiene una presión de vapor alta, decimos que el líquido es VOLATIL. Por
ejemplo, el CCl4 es más volátil que H2O.
b) La temperatura
La presión de vapor de un líquido aumenta al aumentar su temperatura. Al aumentar la temperatura,
un número mayor de moléculas obtendrá la energía suficiente para escapar del estado líquido al
vapor, y la presión aumentará.
Ejercicio No.3
1.
Explique por qué el agua se evapora más rápido cuando:
a) la temperatura del ambiente es alta
b) hace brisa
c) se echa en un envase ancho
2.
Explique por qué una fricción con alcohol ayuda a reducir la fiebre de una persona:
3.
Defina:
a)
b)
c)
calor molar de vaporización
equilibrio dinámico
presión de vapor
4.
Los calores de vaporización de agua y amoníaco son relativamente altos. ¿ por qué ?
5.
Explique por qué la presión de vapor del agua es mayor a 35°C que a 25°C.
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Escuela de Química
Departamento de Química General
Curso: Química General II
FOLLETO 3
LIQUIDOS, SOLIDOS Y CAMBIOS DE ESTADOS
7.
Los líquidos tienen puntos de ebullición característicos:
Cuando un líquido se calienta en un envase abierto, su presión de vapor aumenta. Cuando la temperatura
ha subido lo suficiente para que la presión de vapor del líquido iguale a la presión atmosférica, se forman
burbujas de vapor y éstas escapan del líquido, decimos que el líquido está hirviendo, o que está
ocurriendo EBULLICION. La temperatura a la cual la presión atmosférica es igual a la presión de vapor
del líquido recibe el nombre de PUNTO DE EBULLICION del líquido.
Podemos concluir que el punto de ebullición de un líquido depende de la presión atmosférica: a mayor
presión atmosférica, más alto será el punto de ebullición del líquido. Por ejemplo, la presión de vapor del
agua a 80°C es 355 mm Hg. Si la presión atmosférica fuera 355 mm Hg, el agua herviría a 80°C. La
presión de vapor del agua a 100°C es 760 mm Hg. Por lo tanto, cuando la presión atmosférica es 760
mm Hg, el agua hierve a 100°C. EL PUNTO DE EBULLICION NORMAL de un líquido se define
como la temperatura a la cual el líquido hierve cuando la presión atmosférica es 760 mm Hg, o sea, la
temperatura a la cual la presión de vapor que tiene el líquido es igual a 760 mm hg. El punto de
ebullición normal de agua es 100°C.
El punto de ebullición de un líquido está relacionado directamente con su calor de vaporización. La ley
que correlaciona estas dos propiedades es la Ley de Trouton, y establece que el calor molar de
vaporización de un compuesto es aproximadamente igual a 21 veces el punto de ebullición expresado en
K. Matemáticamente se expresa así: Hvap aproximadamente igual a 21 Tb
donde Tb es el punto de ebullición normal en K. La Ley de Trouton se aplica a la mayoría de los
compuestos orgánicos, pero no se aplica al agua ni otros compuestos que formen puentes de hidrógeno.
8.
Para cada sustancia existe una temperatura más allá de la cual la sustancia no puede existir en su estado
líquido. Esta temperatura recibe el nombre de TEMPERATURA CRITICA.
Ejercicio No.4
1. Defina:
a) ebullición
b) temperatura crítica
2.
Si el punto de ebullición normal del benceno es 80°C, ¿cuál será la presión de vapor del benceno a 80°C?
3.
De acuerdo con la ley de Trouton, el calor de vaporización de un líquido es directamente proporcional a:
4.
En una olla de presión, el vapor del agua ejerce una presión mayor de 760 mm Hg. ¿Cómo afecta esto la
temperatura a la cual hierve el agua?
Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Escuela de Química
Departamento de Química General
Curso: Química General II
FOLLETO 4
PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS
Como hemos visto, un sólido cristalino consiste de iones, moléculas o átomos mantenidos en posiciones fijas
por las atracciones de los iones, moléculas o átomos que le rodean. Estos arreglos determinan las propiedades
que caracterizan al estado sólido:
1.
2.
3.
4.
Son rígidos (no fluyen como los líquidos y gases)
No se pueden comprimir
Su difusión es extremadamente lenta
Los sólidos tienen puntos de fusión característicos
Cuando un sólido se calienta, parte del sólido se derrite y se establece un equilibrio entre el sólido y el líquido.
Sólido ========> líquido
<==========
Si el sólido es una sustancia pura, la temperatura se mantiene constante mientras los dos estados o fases están
presentes.
La temperatura a la cual se alcanza este equilibrio a una presión de 1 atm recibe el nombre de punto de fusión
del sólido.
El cambio de estado de sólido a líquido requiere que se absorba energía para romper las fuerzas presentes
entre las partículas del sólido. La cantidad de calor necesaria para convertir un mol de sólido a líquido en su
punto de fusión se llama calor de fusión (heat of fusion) y se presenta como Δ Hfus. Cuando un mol de
líquido se convierte en sólido (congelación) se libera esa misma cantidad de calor.
5.
Los sólidos tienen presiones de vapor características (se subliman)
Aunque el movimiento de las moléculas en el estado sólido está muy limitado, muchos sólidos tienen
presiones de vapor significativas, lo cual indica que sus moléculas pasan directamente del estado sólido al
vapor. Por ejemplo, el “hielo seco” es bióxido de carbono sólido que pasa directamente al estado gaseoso sin
pasar por el estado líquido. Este cambio de estado se llama sublimación. Cuando un sólido se halla en un
envase cerrado, se establece un equilibrio con su vapor.
Sólido ========> vapor
<==========
La cantidad de calor que se absorbe cuando un mol del sólido se sublima se conoce como calor de
sublimación y se representa como ΔHsub.
....2....Folleto 4......
Aplicando la Ley de Hess, se puede demostrar que el calor de sublimación de una sustancia es la suma del
calor de fusión y del calor de vaporización.
Sólido
ΔHfus
========> líquido
<==========
ΔHvap
Líquido ========> vapor
<==========
________________________________________
_______________________________________
Sólido ========> vapor
<==========
ΔHsub. =
ΔHfus
+
ΔHvap
Ejercicio No.5
1.
Explique en términos de la teoría cinética molecular las siguientes propiedades de los sólidos:
a)
b)
c)
son rígidos
no se pueden comprimir
se difunden lentamente
2.
En el punto de fusión de una sustancia existe equilibrio entre:
3.
El calor de fusión es el calor necesario para:
4.
Durante el proceso de sublimación en un envase cerrado, se establece el equilibrio entre:
5.
El calor de sublimación es el calor necesario para: