LÍQUIDOS, SÓLIDOS Y CAMBIOS DE ESTADOS Los Estados Condensados de la Materia: Líquido y Sólido

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1 ESCUELA DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL QUÍMICA GENERAL II LÍQUIDOS, SÓLIDOS Y CAMBIOS DE ESTADOS Los Estados Condensados de la Materia: Líquido y Sólido Todas las sustancias en principio, pueden existir en tres estados: sólido, líquido y gaseoso; la conversión entre dichos estados puede lograrse al modificar la temperatura y la presión. 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 atracción entre 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 gaseo so: el espacio libre entre las moléculas debe ser muy pequeño. El movimiento molecular es demasiado rápido para que las fuerzas de atracción intermolecular puedan fijar a las moléculas dentro de las posiciones definidas de un retículo cristalino, consecuentemente, un líquido retiene su volumen pero no su forma. Los líquidos fluyen y adquieren la forma de sus recipientes. 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: DENSIDAD: Es la relación de masa de una sustancia por unidad de volumen. Se puede determinar la densidad para sólidos, líquidos y gases, simplemente determinando su masa y el volumen que ocupan. Es una propiedad intensiva, ya que no depende de cuanta materia se considere. Gene ralmente se expresa en g/cm 3. Para líquidos y sólidos se usan g/ml, ya que un ml = un cm 3. En el caso de los gases una cantidad mínima de masa ocupa un gran volumen, la densidad se expresa en g/l. La densidad del agua a 4 C es 1g/mL = 62.4 lb/pie 3.

2 Resolver: 1. La densidad del hierro es 7.87 g/cm 3. Qué volumen ocuparan 12.5 g de hierro? 2. Una solución de ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad de 1.84 g/ml. Calcular el peso de 50 ml. 3. Calcular la densidad de la leche en g/cm 3 si 10 litros pesan Kg. 4. Compare el estado líquido y el estado sólido en cuanto a: a) distancias intermoleculares b) movimientos de las moléculas c) magnitud de las fuerzas 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. 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 tienen viscosidad, que se define como la resistencia a fluir. Por eso se determina midiendo el tiempo que necesita una cantidad determinada de líquido para pasar a través de un tubo de diámetro pequeño a una presión dada. La viscosidad se debe principalmente a las atracciones intermoleculares y por lo tanto representa una estimación sencilla de la intensidad de estas atracciones. En general un aumento de la temperatura disminuye la viscosidad ya que las fuerzas de cohesión se ven debilitadas por el creciente movimiento molecular, causado por la energía cinética que adquieren las moléculas al aumentar la temperatura. a) AUMENTO DE TEMPERATURA produce AUMENTO DE LA ENERGIA CINÉTICA que a su vez produce la DISMINUCIÓN DE LAS FUERZAS DE COHESIÓN que produce DISMINUCIÓN DE LA VISCOSIDAD. a. Y lo contrario: b) DISMINUCION DE LA TEMPERATURA produce DISMINUCIÓN DE LA ENERGIA CINÉTICA que a su vez produce INCREMENTO DE LAS FUERZAS DE COHESIÓN que produce INCREMENTO DE LA VISCOSIDAD. Ejemplos de líquidos muy viscosos son la miel y el aceite de motor. Se ha determinado que a mayor peso molecular tiene una sustancia, mayor será su viscosidad, se pueden comparar solamente estructuras similares. Página2

3 Ejemplo: n-pentano C5H12 y n-heptano C7H16 ambas son cadenas lineales que solo se diferencian por tamaño y peso molecular. El n-heptano tiene mayor viscosidad. Los líquidos con fuerzas intermoleculares fuertes son más viscosos, el agua por ejemplo, tiene mayor viscosidad que otros líquidos similares por su habilidad de formar puentes de hidrógeno. Las fuerzas intermoleculares que consideramos son: a) Fuerzas de dispersión de London b) Fuerzas de atracción dipolo-dipolo c) Puentes de hidrógeno Ejemplo: El agua es más viscosa que el benceno C6H6 Aunque el benceno tiene mayor peso molecular, el agua tiene más fuerzas intermoleculares, cuáles son? Lea la página 476 de su libro de texto e indique por qué el glicerol es más viscoso que el agua. Un equipo muy usado para determinar la viscosidad es el VISCOSIMETRO DE OSTWALD. Consiste en determinar el tiempo de paso entre dos marcas determinadas. La unidad de la viscosidad es el POISE = g/ cm-s La fórmula usada para determinar la viscosidad es: Viscosidad A (densidad de A)(tiempo de paso de A) = Viscosidad B (densidad de B)(tiempo de paso de B) Es una viscosidad relativa, Ejemplo: Una muestra de aceite con densidad g/cm 3 se compara con etanol con densidad 0.78 g/cm 3. La viscosidad del etanol a 20 C es 12 mp (milipoise), Cuál será la viscosidad del aceite? Si se conoce que el tiempo de paso por el viscosímetro a 20 C fue de 93.4 segundos para el etanol y de segundos para el aceite. (0.954 g Viscosidad del aceite= cm 3 )(120.5 s)(12 mp) (0.78 g =18.93 mp cm 3 ) (93.4 s) Resolver: 5. Una muestra de trementina (densidad = g/cm 3 ) fue medida en un viscosímetro de Ostwald y se usó etanol (densidad = g/cm 3 ) como tipo de comparación. Los tiempos promedio de paso de los líquidos a 20 C fueron: Etanol = 93.4 segundos y Trementina = segundos. La viscosidad del etanol es = 12 milipoises a 20 C. Cuál es la viscosidad de la muestra en milipoises? 6. De cada uno de los siguientes pares, escoger la sustancia más viscosa, explique: a) Pentano C5H12 a 20 C Decano C10H22 a 20 C b) Un aceite de motor a -10 C el mismo aceite a 40 C a) Glicerina a 0 C Glicerina a 50 C 7. Un alcohol de densidad = g/cm 3 tiene un tiempo de paso en un viscosímetro de Ostwald a 20 C de s. El agua densidad = 1 g/cm 3 y viscosidad milipoises, tiene un tiempo de Página3

4 escurrimiento de 73.4 segundos en el mismo viscosímetro a 20 C. Cuál es la viscosidad del alcohol? 8. Un alcohol (d = g/cm 3 ) tiene un tiempo de paso de segundos en un viscosímetro de Ostwald a 20 C. El agua (d = 1 g/cm 3 y viscosidad = milipoises) tiene un tiempo de paso de 68.6 segundos bajo las mismas condiciones. Cuál es la viscosidad del alcohol? 5. Los líquidos poseen tensión superficial, que se define como la cantidad de energía que es necesaria para expandir el área superficial de un líquido. Es en una propiedad de los líquidos, originada por las fuerzas de atracción intermolecular y es una medida de la magnitud de estas fuerzas. Las moléculas dentro del líquido son atraídas de igual manera por las moléculas vecinas, pero las que están situadas en la superficie solo son atraídas hacia el interior del líquido, lo que causa que el área de la superficie del líquido tienda a reducirse, explicando la forma esférica de las gotas de un líquid o y se observa también como la superficie del líquido se tensa como si fuera una película elástica. Esta propiedad la podemos observar si deslizamos cuidadosamente una grapa sobre la superficie de 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 membrana. Para que la grapa se hunda es necesario romper esa membrana de la superficie. También, es responsable de que la superficie del líquido asuma una curvatura, llamada menisco, cuando se introduce en un tubo estrecho. Por ejemplo, cuando se pone 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 (fuerzas adhesión) que por las otras moléculas de agua (fuerzas cohesión) y se adhiere al vidrio, jalando la superficie del agua hacia arriba. Efecto que se observa en los tubos capilares, a su vez se forma el menisco. SUPERFICIE DEL LIQUIDO Hay varios factores que afectan a la TENSION SUPERFICIAL. a) TEMPERATURA: La tensión superficial de los líquidos disminuye al incrementar la tempe ratura, ya que se disminuyen las fuerzas de atracción intermolecular, esto se debe a que al aumentar la Página4

5 temperatura se aumenta la energía cinética de las moléculas y el movimiento molecular, lo que causa una disminución de las fuerzas de cohesión. b) EMULSIFICANTES: son sustancias que permiten mezclar moléculas distintas rompiendo la tensión superficial. Ejemplo: El aceite y el agua no se mezclan, son inmiscibles pero si le agrego lecitina, una sustancia emulsificante, permite que se mezclen rompiendo la tensión superficial de ambos líquidos como la mayonesa. El MÉTODO CAPILAR se utiliza para determinar la tensión superficial. Se determina la altura que sube el líquido en el capilar a una temperatura determinada. Fórmula para obtener la tensión superficial = ½ hrdg Siendo h la altura en cm, r el radio en cm, d la densidad en g/cm 3, g la gravedad = 980 cm/s 2. Las unidades son dina/cm = g/s 2 (Recordemos que una dina = g cm/s 2 ) Resolver: 9) El etanol con densidad g/cm 3 se eleva en un tubo capilar 5.2 cm a 20 C. El radio es cm Cuál es la Tensión Superficial? R: dina/cm. 10) El nitrobenceno se eleva 2.48 cm. En un tubo capilar con radio 0.03 cm. Si la tensión superficial es 43.9 dina/cm Cuál es la densidad? R= 1.2 g/cm 3 11) Si el metanol tiene una densidad de g/cm 3 y el n-hexano tiene una densidad de 0.66 g/cm 3 a 20 C. Cuál es la relación de las alturas a las que estos dos líquidos se elevaran en un tubo capilar con un radio de 0.22 cm, si se conoce que la tensión superficial del me tanol es 22.6 dina/cm y la del n- hexano es de 18.4 dina/cm? R= (relación del metano/n-hexano) ) A qué altura se elevara el agua en un capilar con cm de diámetro?, si se conoce que la temperatura es de 20 C, la densidad del agua es 1 g/cm 3 y la tensión superficial es 72.8 dina/cm. R = cm 13) Cuál será el radio de un capilar en el que el agua se eleva 7.5 cm? A 20 C R = cm 14) Un líquido con densidad 0.85 g/cm 3 asciende 0.7 cm en un capilar de 0.04 cm de radio. Calcule la tensión superficial. R = dina/cm 15) Un líquido de densidad = 0.95 g/cc, asciende 1.05 cm en un capilar de 0.50 cm de radio interno. Calcule la tensión superficial del líquido. 16) Un líquido de densidad = 0.95 g/cc, asciende 1.05 cm en un capilar de 0.50 cm de radio interno. Calcule la tensión superficial del líquido. 17) 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 18) Explique qué efecto tiene la temperatura sobre la densidad de un líquido Página5

6 19) Defina tensión superficial. 20) Explique dos situaciones en que se manifiesta la tensión superficial de un líquido. 21) Resolver los problemas siguientes del libro de Chang, 11 edición: 1.51, 1.52, 1.61, 1.63, 1.64, 11.22, 11.23, 11.24, 11.25, 11.27, y 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 Hv ap. 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 eje mplo, el calor de vaporización del agua es aproximadamente 10 kcal/mol, mientras que el del metano (CH4), es aproximadamente 2 kcal/mol. 7. Los líquidos tienen presiones de vapor características. Si un líquido se encuentra 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 choc ar con la superficie del líquido y regresar al estado líquido. A este cambio de e stado se conoce como CONDENSACIÓN. 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 velocidad de condensación será igual a la velocidad de evaporación: el número de moléculas/segundo que se escapan del líquido es igual al número de moléculas/segundo Página6

7 que regresan al líquido. En general, la condición en la cual dos cambios opuestos ocurren a la vez y con la misma velocidad recibe el nombre de EQUILIBRIO DINÁMICO. 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 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 PRESIÓN 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 CCl 4 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. Resolver: 21. Explique por qué el agua se evapora más rápido cuando: a) la temperatura del ambiente es alta b) hace brisa c) se encuentra en un envase de boca ancha 22. Explique por qué una fricción con alcohol ayuda a reducir la fiebre de una persona. 23. Defina: a) calor molar de vaporización b) equilibrio dinámico c) presión de vapor 24. Los calores de vaporización de agua y amoníaco son relativamente altos. Por qué? 25. Explique por qué la presión de vapor del agua es mayor a 35 C que a 25 C. 8. 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 EBULLICIÓN. La temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica recibe el nombre de PUNTO DE EBULLICIÓN del líquido. Se concluye 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 Página7

8 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 EBULLICIÓN 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 relaciona 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. 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 CRÍTICA, y la presión que corresponde a la temperatura crítica se llama PRESIÓN CRÍTICA. Resolver: 26. Defina: a) ebullición b) temperatura crítica 27. Si el punto de ebullición normal del benceno es 80 C, cuál será la presión de vapor del benceno a 80 C? 28. De acuerdo con la ley de Trouton, el calor de vaporización de un líquido es directamente proporcional a:. 29. 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? PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS 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: a) Son rígidos (no fluyen como los líquidos y gases) b) No se pueden comprimir c) Su difusión es extremadamente lenta d) 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 Página8

9 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 y se presenta como Δ Hfus. Cuando un mol de líquido se convierte en sólido (congelación) se libera esa misma cantidad de calor. Los sólidos tienen presiones de vapor características, se subliman Aunque el movimiento de las moléculas en el estad o 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 anhídrido carbónico sólido que pasa directamente al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Este cambio de estado se llama sublimación. Cuando un sólido se encuentra 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. 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 líquido ΔHfus líquido vapor ΔHv ap sólido vapor ΔHsub= ΔHfus + ΔHv ap Resolver: 30. Explique en términos de la teoría cinética molecular las siguientes propiedades de los sólidos: a) son rígidos b) no se pueden comprimir c) se difunden lentamente 31. En el punto de fusión de una sustancia existe equilibrio entre:. 32. El calor de fusión es el calor necesario para:. 33. Durante el proceso de sublimación en un envase cerrado, se establece el equilibrio entre:. 34. El calor de sublimación es el calor necesario para:. Página9

10 CAMBIOS DE ESTADO Los diversos estados de la materia suelen ser interconve rtibles. A medida que la energía interna de la materia aumenta, se pierde el orden de las partículas y aumenta el desorden de las partículas; a medida que la energía disminuye, se aumenta el orden de las partículas. Sin embargo, existen limitaciones en ambos casos. El aumento de energía destruye las partículas al mismo tiempo que las desordena; a veces la destrucción se anticipa al desorden. Por ejemplo, la insulina cristalina (proteína), no puede licuarse; sus moléculas requieren menos energía para destruirse que para desordenarse y exhibir flujo móvil. En la dirección opuesta, la pérdida de energía favorece el orden pero no lo garantiza. Es de gran utilidad aprender la terminología de los cambios de estado, tal como se ilustra en el cuadro siguiente (cuadro No.1) Los cambios de entalpía se llaman: Calor de fusión (sólido líquido) Calor de evaporación (líquido gas) Calor de sublimación (sólido gas) Página10

11 Un cambio de estado implica una ganancia o una pérdida de calor, sin variaciones de temperatura. De esta forma el CALOR DE FUSIÓN ΔHfus de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para fundir una determinada cantidad, generalmente 1 mol o 1 g de sólido, a líquido, a la misma temperatura. El calor de fusión, tal como lo ilustra el cuadro No. 1, es absorbido por la sustancia y la extrae del medio ambiente; el proceso opuesto (congelación) involucra la misma cantidad de calor por gramo de sustancia, pero, en este caso, la sustancia libera el calor y lo cede a los alrededores. Para los demás cambios de estado se usan expresiones análogas. Cualquiera de los procesos en el cuadro No.1 que ocurren en la dirección, sólido líquido gas, produce dos tipos de cambios en la materia afectada: 1. La energía interna de la materia aumenta, pues se está realizando un trabajo para anular las fuerzas de atracción. 2. El grado de orden de la distribución molecular disminuye. A la inversa en cualquiera de los procesos que ocurren en la dirección gas líquido sólido, la energía interna disminuye y el orden aumenta. La tabla No.1 ofrece datos sobre calores de fusión y de vaporización de diversas sustancias. SUSTANCIA Aluminio Cera de abejas Tetracloruro carbono Alcohol etílico Mercurio TNT Agua de Calores de fusión y de vaporización: Punto de fusión ( C) Punto de ebullición ( C) Fusión Calor (cal/g) Vaporización 25 X DIAGRAMA DE FASES Hasta el momento ha estudiado tres clases de equilibrio: sólido líquido sólido gas líquido gas Las condiciones bajo las cuales una sustancia puede existir como sólido, líquido o gas y las condiciones bajo las cuales existe equilibrio entre dos o tres de estas fases, se representan gráficamente mediante un DIAGRAMA DE FASES. El diagrama de fases de una sustancia pura consiste en una gráfica de la presión Página11

12 Presión (mm Hg) contra la temperatura de la sustancia. La siguiente figura representa el diagrama de fases del agua: página 506 del libro de texto G D Diagrama de Fases del agua E F B sólido líquido H gas A C Temperatura ºC Interpretación del diagrama de fases: 1) En las regiones marcadas sólido, líquido o gas, existe una sola fase, y ésta será la indicada por este rótulo. La región del diagrama que corresponde al estado sólido se caracteriza por las temperaturas bajas y presiones altas. El estado líquido está presente a presiones y temperaturas intermedias. Por ejemplo, en el punto E, o sea a una presión de 20 mm Hg y temperatura de 20ºC, el agua existe en una sola fase LÍQUIDA. 2) A lo largo de cada línea, existen dos fases en equilibrio : las dos fases rotuladas a ambos lados de la línea. Cada una de estas líneas indica las condiciones de temperatura y presión bajo las cuales existen dos fases en equilibrio. Línea AB: Esta es la curva de presión de vapor del agua. Cualquier punto en esta línea representa un equilibrio entre agua líquida y vapor de agua. Cada punto da la presión de vapor del agua a la temperatura correspondiente. Por ejemplo, en el punto B vemos que la presión de vapor del agua a 25ºC es 24 mm de Hg. Línea AC: Esta es la curva de presión de vapor del hielo. Cualquier punto en esta línea representa un equilibrio entre hielo y agua gaseosa. Cada punto de la línea da la presión de vapor del hielo a la temperatura correspondiente. Por ejemplo, en el punto C, se lee que a 3 ºC la presión de vapor del hielo es 3 mm de Hg. Línea AD: Esta es la curva de fusión o congelación del agua. Cualquier punto representa un equilibrio entre agua líquida y hielo. Cada punto da la temperatura de fusión del hielo a la presión correspondiente. Página12

13 Si se observa la curva de fusión del agua se encuentra que la línea AD se inclina ligeramente hacia la izquierda lo que significa que al aumentar la presión, el punto de fusión del hielo disminuye levemente. Esto es así porque un aumento en la presión favorece la formación de la fase líquida: la fase líquida tiene una mayor densidad que la fase sólida, el agua líquida es más densa que el hielo. El hecho de que el hielo flota en el agua confirma esta observación. El agua es una de las pocas sustancias que observan un comportamiento semejante. La mayoría de las sustancias son más densas en su estado sólido que en el líquido. Por lo tanto, un aumento en la presión favorece la fase más densa que es la sólida y aumenta el punto de fusión. En tales casos la curva de fusión del diagrama de fases se inclina hacia la derecha. 3) En el punto A, donde se unen las tres líneas, existen tres fases en equilibrio : hielo, agua y agua gaseosa. Por esta razón se le llama PUNTO TRIPLE. El punto triple del agua ocurre a 0.01 C y a una presión de 4.46 mm de Hg. Los sólidos se subliman a cualquier temperatura menor que la temperatura de su punto triple. En general, los diagramas de fases de otras sustancias puras se interpretan en forma similar al que hemos discutido. Resolver: Usando el diagrama de fase del agua que aparece en este folleto, indique: 35. Cuáles son las fases presentes en los siguientes puntos? A F G H 36. Cuál es la presión de vapor del agua a 10 C? 37. En qué estado existe el agua a 5 C y una presión de 4.0 mm de Hg? Resolver: Conteste cada una de las preguntas, colocando sobre la línea la letra que corresponde el término enlistado en la parte inferior. I PARTE: 38. El agua puede existir a 100 C y 1 atmósfera de presión, co mo gas y como. 39. La fase en la cual el movimiento molecular es más restringido es:. 40. Cuando un líquido es calentado la presión de vapor. 41. Es una propiedad de los líquidos que describe la resistencia a fluir:. 42. En qué estado la materia asume la forma de y llena completamente el recipiente en el cual es contenido:. 43. Una gota de líquido tiene una forma específica debido a la propiedad. Página13

14 44. Cuando la presión es disminuida, el punto de ebullición de un líquido. 45. Cuando la temperatura de un líquido se incrementa, el porcentaje de evaporación:. 46. es la condición en la cual el porcentaje de dos tendencias opuestas es igual. 47. En el la presión de vapor de un líquido es de 1 atm. 48. es la temperatura a la cual el líquido y el sólido están en equilibrio a 1atmósfera. 49. es el proceso en el cual la fase sólida para directamente a la fase de vapor. a) decrece b) aumenta c) incrementa d) se queda igual e) gaseoso f) líquido g) sólido h) tensión superficial i) viscosidad j) punto de fusión k) punto ebullición normal l) sublimación m) equilibrio dinámico II PARTE: 50. En el diagrama de fases del azufre el área A representa la fase:. 51. El área B representa la fase:. 52. En el diagrama de fases del azufre el área C representa la fase:. 53. En el diagrama de fases del azufre D representa:. 54. En el diagrama de fases del azufre la línea E representa el equilibrio entre:. 55. En el diagrama de fases del azufre la línea F representa el equilibrio entre:. 56. La línea G representa el equilibrio entre. 57. Qué sustancia tiene el punto de ebullición menor, azufre o carbono?. 58. Cuando el azufre es calentado a 1 atm de 10 C a 150 C el cambio observado es. 59. Cuando el carbono es calentado a una atmósfera de 100 C a 150 C, qué cambio se observa?. 60. Cuando una muestra de azufre se mantiene a 100 C y se reduce la presión de 1 atmósfera a 1 X 10-6 atm, qué cambio ocurre?. Página14

15 61. Cuando la presión externa sobre una muestra de azufre que está 150 C, se reduce de 1 a 1X10-6 atm el cambio de fase que ocurre es:. 62. A 3000 C y 1 atm, cuál es la fase de carbono que existe?. a) Azufre b) Carbono c) Sulfuro de carbono d) Gas - sólido e) Líquido - sólido f) Líquido - gas g) Sólido - gas h) Sólido líquido i) Ninguno j) Gaseosa k) Líquido l) Sólido m) Punto triple P r e s i ó n sólido E A D F líquido B C G gas Temperatura Azufre Monoclínico P r e s i ó n sólido líquido gas Temperatura Carbono III PARTE: Observe detenidamente el siguiente diagrama de fases del carbono y responda las siguientes preguntas: 10 diamante líquido PRESIÓN (Atmósferas) 130 grafito 3 2 gas TEMPERATURA ( C) Página15

16 63. Cuál fase o fases existen en el punto 1?. 64. Cuál fase o fases existen en el punto 2?. 65. Cuál fase o fases existen en el punto 3?. 66. Cómo cambia el punto de ebullición al disminuir la presión?. 67. Indique el rango de presión y temperatura a que sublima el grafito. 68. Indique el rango de presión y temperatura a que sublima el diamante. 69. Indique los cambios que ocurren cuando el grafito a 30 ºC y 200 atmósferas de presión se calienta hasta 5000 ºC a presión constante : 70. Indique los cambios que ocurren cuando el grafito a 3000 C y 1 atmósfera de presión se comprime hasta 99,000 atmósferas de presión a temperatura constante:. 71. Cómo se puede convertir el grafito en diamante a temperatura ambiente?. 72. Cómo cambia el punto de fusión de diamante al aumentar la presión. BIBLIOGRAFÍA: Brescia, Frank et. Al., Fundamentos de Química. México. Editorial C.E.C.S.A., Página16