Tema Tema 18 (I) Estados de agregación de la materia El estado sólido Estructura cristalina

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1 Tema 18 (I) Estados de agregación de la materia 18.1 El estado sólido 18.2 Estructura cristalina 18.3 Tipos de cristales 18.4 El estado líquido 18.5 Propiedades particulares del agua El estado sólido Una sustancia es un SÓLIDO CRISTALINO cuando su estructura se puede construir repitiendo una unidad pequeña llamada celda unidad celda unidad Ejemplos: Hielo, NaCl Una sustancia es un SÓLIDO AMORFO cuando su forma y volumen no depende del recipiente que lo contiene, pero su estructura no es una repetición de una celda unidad A veces no se consideran sólidos sino una especie particular de líquido subenfriado. Ejemplos: goma, algunos plásticos y el vidrio. 3 4 Ejemplos: formas de la sílice: a) SiO 2 cristalino cuarzo b) SiO 2 amorfo vidrio 18.2 Estructura cristalina Para generar un sólido cristalino tenemos que ordenar (o empaquetar) los átomos de alguna manera Las formas más sencillas de empaquetamiento se producen cuando todos los átomos son iguales (p.ej. en los metales). El problema se reduce al del empaquetamiento de esferas

2 SÓLIDOS METÁLICOS Empaquetamiento de esferas en 2D Descripción de la estructura de los cristales: PATRONES TRIDIMENSIONALES Para hacer un empaquetamiento compacto en 3D hemos de apilar capas una encima de otra Las esferas de la segunda capa (capa B) se colocan entre cada tres de la primera (capa A) A Este empaquetamiento se llama compacto porque es el que menos huecos deja (es el más eficiente). B 7 8 Sobre la segunda capa se coloca la siguiente, pero ahora hay dos opciones para ponerse en el hueco de en medio de cada tres átomos: ponerse encima de un átomo de la capa A (huecos A) o no (huecos C) Hueco A (Tetraédricos) Hueco C (Octaédricos) Si la tercera capa va encima de la primera, tenemos un esquema ABABABABABAB... La capa C, es idéntica a la capa A El empaquetamiento se llama entonces HEXAGONAL COMPACTO (todos los huecos tetraédricos están tapados) Ejemplos: Mg, Zn 9 10 Si la tercera capa NO va encima de la primera, tenemos un esquema ABCABCABCABC... El empaquetamiento se llama entonces CÚBICO COMPACTO o CÚBICO CENTRADO EN LAS CARAS (FCC, face centered cubic ) Ejemplos: Al, Cu, Ag, Au El empaquetamiento hexagonal y el cúbico centrado en las caras son los únicos que son compactos, es decir son los que dejan el menor porcentaje de huecos en la estructura En ellos cada átomo tiene el máximo número de vecinos (número de coordinación), que es igual a

3 Sin embargo, existen otras posibilidades. Las más importantes son: N.C.= 6 N.C.= 8 Cúbica simple Cúbica centrada Ej: P en el cuerpo Ej: Li, Na, Ba 18.3 Tipos de cristales Según su tipo de enlace, se clasifican en Iónicos Moleculares: El cristal está formado por moléculas discretas que interaccionan mediante fuerzas de dispersión. Covalentes: TODOS los átomos están enlazados por un enlace covalente Metales CRISTALES IÓNICOS Características importantes: *Están formados de especies cargadas. *Los aniones y cationes son en general de distinto tamaño. *El conocimiento del radio de los iones ayuda a comprender la estructura y estabilidad de estos compuestos. anión catión Los cationes se meten en los huecos dejados por los aniones. Cuanto mayor sea el anión, menos aniones rodean a cada catión y menor es el número de vecinos Número de coordinación Relación de radios (r + /r - ) 8 > Estructura del NaCl Relación de radios: r + /r - = 0.55 Estructura del CsCl Relación de radios: r + /r - = Número de vecinos del anión Coordinación (6,6) Número de vecinos del catión La diferencia entre las estructuras de CsCl y NaCl, pueden justificarse en función de la relación de radios. Coordinación (8,8) Cl - Para establecer el nº de coordinación en un cristal iónico, se cuenta el nº de iones vecinos más cercanos de carga opuesta a cualquier ion en el cristal. Cs

4 CRISTALES MOLECULARES Cada celda unidad contiene una o varias moléculas (o átomos) separadas. El empaquetamiento depende del tipo de molécula (polar, no polar, con enlaces de hidrógeno...) Los cristales moleculares se rompen con mayor facilidad que los cristales covalentes o iónicos. CRISTALES COVALENTES Formados por átomos unidos por enlace covalente, no hay moléculas separadas. Diamante Grafito Gases nobles en estado sólido Estructura fcc Átomo de gas noble CRISTALES METÁLICOS Formados por átomos unidos por enlace metálico. Normalmente cristalizan en un empaquetamiento compacto (hexagonal o cúbico) pero hay excepciones. Por ejemplo, todos los metales alcalinos cristalizan con la estructura cúbica centrada en el cuerpo El estado líquido SÓLIDO LÍQUIDO Tiene orden a larga distancia Tiene orden a corta distancia Desordenado Sólido cristalino Orden de largo alcance: Se puede predecir la Propiedades de los líquidos posición de las partículas a largas distancias 1. Densidad 2. Viscosidad Tema 7 Líquido Orden de corto alcance: No hay orden de largo 3. Tensión superficial 4. Presión de vapor Tema 5 alcance, pero tampoco desorden total

5 1. La DENSIDAD normalmente disminuye con la temperatura. ρ T f Punto de fusión T 2. La VISCOSIDAD normalmente disminuye con la temperatura. La energía cinética media de las partículas aumenta y es más fácil mover las capas de líquido. Viscosidad: rozamiento entre capas de líquido 3. La TENSIÓN SUPERFICIAL Las moléculas de la superficie de un líquido son atraídas hacia el interior y hacia los lados, pero no hacia arriba de la superficie. Esto ocasiona que la superficie se tense como si fuera una película elástica. Fuerzas intermoleculares que actúan en una molécula de la capa superficial de un líquido y en la región interna del líquido Una medida de la fuerza elástica que existe en la superficie de un líquido es la TENSIÓN SUPERFICIAL. La Tensión Superficial es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. Al aumentar la T las fuerzas entre moléculas se contrarrestan por el movimiento térmico la Tensión Superficial disminuye. 4. Presión de vapor Dentro de un recipiente cerrado el líquido se evapora hasta que en la parte vacía la presión del gas toma LÍQUIDO un valor característico del líquido y de la temperatura llamado Recipiente hermético PRESIÓN DE VAPOR. vaporización Líquido Vapor condensación La PRESIÓN DE VAPOR es la presión ejercida por un vapor en equilibrio dinámico con su líquido Los líquidos con presiones de vapor altas a temperatura CURVAS DE PRESIÓN DE VAPOR ambiente, se dicen que son volátiles y aquellos que tienen presiones de vapor muy bajas son no volátiles. La presión de vapor de un líquido depende de la naturaleza del líquido y de la temperatura. La presión de vapor del líquido siempre aumenta con la TEMPERATURA. Presión de Vapor/mm Hg P = 760 mm Hg = 1 atm Dietil éter benceno Temperatura de ebullición normal agua etanol Temperatura / ºC

6 Cuando la presión de vapor de un líquido es menor que la que le correspondería a esa temperatura, el líquido se evapora hasta que la iguale. Cuando un líquido se calienta en un recipiente abierto, hay una determinada Tª (temperatura de ebullición normal) a la que se produce la vaporización en todo el líquido y no solamente en la superficie. La P que ejercen las moléculas que se escapan iguala a la ejercida por las moléculas de la atmósfera y se dice que se produce la EBULLICIÓN Propiedades particulares del agua La densidad del agua aumenta al fundirse, para alcanzar un máximo a 4 0 C Agua ρ T f T f = temperatura de fusión T 4 o C p DIAGRAMAS DE FASES: Un diagrama de fases resume las condiciones en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas. SOLIDO Diagrama p-t LIQ Cada región de la gráfica representa una fase pura. Las líneas entre 2 fases especifican las condiciones de P y Tª en las que dos fases pueden existir en el equilibrio. T El punto en que el las 3 fases pueden existir en el equilibrio se conoce como PUNTO TRIPLE. DIAGRAMA P-T DEL AGUA PURA Al aumentar la P del hielo, disminuye su punto de fusión. P (atm) Al aumentar la P del agua líquida, aumenta su punto de ebullición. SOLIDO LIQ T (ºC)