ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Transcripción

1 ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

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3 Estados de Agregación: Características Gas: Desorden total. Mucho espacio vacío. Partículas con libertad total de movimiento. Grandes distancias entre partículas. Líquido: Orden parcial. Partículas o racimos de partículas que pueden moverse libremente en forma relativa. Partículas muy cercanas entre sí. Sólido: orden regular. Partículas en posiciones esencialmente fijas. Partículas muy cercanas entre sí. Fuerzas Orden Distancias Propiedades Gases muy débiles desorden grandes Vol variable, bajas, se expanden Líquidos Intermedias semiorden cortas, Vol. Fijo, altas, difunden en otros Sólidos fuertes alto orden cortas = Vol. Fijo, altas, difunden lentamente

4 ESTADO GASEOSO: F atrac.e/molec. <<< E cinética prom. ESTADO LIQUIDO: F atrac.e/molec. E cinética prom. ESTADO SOLIDO: F atrac.e/molec. >>> E cinética prom. Se pasa de un estado a otro cambiando la E cinética prom. (o sea, calentando o enfriando)

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6 Cambios de Fases

7 Proceso Fusión, Vaporización y Sublimación: ABSORBE ENERGÍA (Endotérmico) Proceso Condensación, Solidificación y Deposición: LIBERA ENERGÍA (Exotérmico)

8 CUARTO ESTADO DE LA MATERIA: PLASMA Plasma: gas ionizado en el que los átomos se encuentran disociados en iones positivos y electrones con libre movimiento.

9 Sólido Líquido Gas Plasma Tierra Agua Aire Fuego

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12 Diagrama de fase típico de una sustancia (P=cte)

13 El punto de fusión (T f ) es la temp. a la cual un sólido pasa al estado líquido. El punto de solidificación (T s ) es la temp. a la cual un líquido pasa al estado sólido. T f = T s (T1 en el gráfico) Prop. Sólido Prop. Líquido El punto de ebullición (T e ) es la temp. a la cual un líquido pasa al estado gaseoso o ebulle (la presión de vapor del líq. se iguala a la presión del medio que lo rodea). El punto de condensación (T c ) es la temp. a la cual un gas pasa al estado líquido. T e = T c (T2 en el gráfico) Prop. Líquido Prop. Gas

14 PUNTOS DE FUSION Y DE EBULLICIÓN DE ALGUNAS SUSTANCIAS (ºC) SUSTANCIA PUNTO DE FUSIÓN Nitrógeno Oxígeno Butano ,5 Propano Agua Alcohol -114,4 87,4 Mercurio -38,9 357 Glicerina Aluminio Cobre Hierro Oro PUNTO DE EBULLICIÓN

15 El calor latente o de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase: de sólido a líquido calor de fusión (absorbe energía) de líquido a gaseoso calor de vaporización (absorbe energía) Al pasar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía.

16 El calor molar de vaporización DH vap es la energía requerida para evaporar 1 mol de un líquido. Es una medida de la intensidad de las fuerzas intermoleculares que se ejercen un en líquido. Si la atracción intermolecular es fuerte, se necesita mucha energía para liberar las moléculas de la fase líquida. En consecuencia, el líquido tiene una presión de vapor relativamente baja y un elevado calor de vaporización.

17 Diagramas de Fases Temperatura 100ºC 0ºC P= 0.5 atm P= 1.0 atm P= 3.0 atm Calor Entregado Diagramas de Fases y Reglas de las Fases de Gibbs F = C P + 2 F = grados de libertad C = componentes P = fases

18 F = C P + 2 Se llama Fase (P) a toda parte homogénea y fisicamente distinta de un sistema, separada de las otras partes del sistema por una superficie límite definida El Número de Componentes (C) es el menor número de constituyentes químicos independientes por medio de los cuales se puede expresar la composición de cualquier fase posible El Número de Grados de Libertad (F) de un sistema es el número de factores variables, tales como temperatura, presión y concentración, que deben ser fijados para que la condición de un sistema en equilibrio pueda ser completamente definida

19 Diagrama de fase típico de una sustancia

20 La mayoría de las sustancias puras se contrae al congelarse y el sólido tiene mayor densidad que el líquido. El agua se expande al congelarse, por ello tiene menor densidad y el hielo flota sobre el agua.

21 El calor molar de vaporización DH vap es la energía requerida para evaporar 1 mol de un líquido. Es una medida de la intensidad de las fuerzas intermoleculares que se ejercen en un líquido. Si la atracción intermolecular es fuerte, se necesita mucha energía para liberar las moléculas de la fase liquida. En consecuencia, el líquido tiene una presión de vapor relativamente baja y un elevado calor de vaporización

22 Punto fusión: P = 1 atm T = 273,15ºK (0 C) Punto triple: P = 0,006 atm T = 273,16ºK (0,01 C) Punto ebullición: P = 1 atm T = 373,15ºK (100 C) Punto Crítico: P = 218 atm T = 647,3ºK (374,15 C)

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24 Gases Constituidos por moléculas individuales muy separadas entre sí y en movimiento constante. Ej. de gases (a 1atm y 25ºC): Moleculares: H2, O2, N2, F2, Cl2 Nobles: He, Ne, Ar, Kr Compuestos: CO, CO2, NO2, NH3, H2S, SO2, HCl, HCN

25 Los GASES: No tienen forma ni volumen definido Las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas Las partículas se mueven de forma desordenada chocando entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene Forman mezclas homogéneas en todas las proporciones Ocupan todo el espacio disponible Son muy compresibles y expandibles

26 Propiedades fácilmente medibles en los gases: Volumen (V) Presión (P) Temperatura (T)

27 Volumen de un cuerpo [m 3 ] Densidad [kg/m 3 ó gr/cm 3 ] Es una medida que determina la cantidad de materia que hay por cada unidad de volumen de un cuerpo δ = m V

28 Medición de la Presión Presión: Es la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie. P = F A (F = m.g) La presión atmosféríca normal es una presión que se define como la presión media de la atmósfera al nivel del mar. Columna de Aire 16 km 0.2 atm 6.4 km 0.5 atm 0 m 1 atm Equivalencia de unidades 1 Atmósfera = 760 mm Hg = 760 Torr = 1, Pa (N/m 2 ) = 1, Barias (Din/cm 2 ) = 1033 g/cm 2 = 14,7 lbs / pulg 2 = 2116 lbs / pie 2

29 Medición de la Temperatura Caliente Frío Tibio Tibio Equilibrio Térmico Calibración de un Termómetro 100 C 373 K O C 273 K Escala Celsius Escala Kelvin ( t ) ( T ) Cambio de Escala Hielo 0 ºC

30 Thomson: Escala de temperatura absoluta (ºK) T (ºK) = t ( C) + 273

31 Ley de Boyle Leyes de los Gases Para una cierta cantidad de gas a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional al volumen que ocupa. P 1/V

32 Ley de Charles A una presión dada, el volumen ocupado por una cierta cantidad de un gas es directamente proporcional a su temperatura. V T

33 Ley de Gay-Lussac Para una cierta cantidad de gas que se mantiene a volumen constante, la presión es directamente proporcional a su temperatura. P T

34 Ley general de los gases Los resultados de las leyes de Boyle, Charles y Gay Lussac, pueden ser combinados en una expresión que representa la relación entre la Presión, el Volumen y la Temperatura de una masa dada de gas = constante El valor de la constante depende de la masa y de la naturaleza del gas

35 Ejercicios Dados 20 litros de NH 3 a 5 ºC y 760 mm Hg. Determinar su volumen a 30 ºC y 800 mm Hg. V 2 = 20,7 l

36 Ley de Boyle Para una cierta cantidad de gas a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional al volumen que ocupa. P 1/V Ley de Charles A una presión dada, el volumen ocupado por una cierta cantidad de un gas es directamente proporcional a su temperatura. V T Ley de Gay-Lussac La presión de una cierta cantidad de gas, que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura. P T Ley de Avogadro A presión y temperatura constantes, el volumen de cualquier gas es directamente proporcional al número de moles del mismo. 1 mol de cualquier gas en CNPT ocupa 22,4 litros V n P.V n.t

37 Ecuación de los gases ideales Siempre que se tenga 1 mol de gas, PV / T será igual a una constante universal R, conocida como la constante de los gases R = Constante universal de los gases:

38 Teoría cinética de los gases Postulados: Los gases constan de partículas que se mueven continuamente al azar produciendo choques entre ellas y la pared del recipiente. Las colisiones moleculares son elásticas, es decir durante los choques no hay pérdida de energía. La energía cinética media de un gas es proporcional a la temperatura absoluta. (E cin =0 en 0ºK). Se considera que las partículas son puntuales (no ocupan volumen) y no existen fuerzas atractivas entre ellas.

39 Desviación del comportamiento ideal de los gases Se hace significativo: A medida que la presión aumenta A medida que la temperatura disminuye acercándose al punto de licuefacción (donde el gas se convierte en líquido)

40 Gases reales Correcciones al Volumen y a la Presión ideales: Presión corregida Volumen corregido (P + an 2 /V 2 ) (V nb ) = nrt Ecuación de van der Waals Corrección para la presión considerando la atracción intermolecular Corrección para el volumen finito de las moléculas (las constantes a y b son distintas para cada gas)

41 A presiones bajas (<10 atm) desviación pequeña se puede usar ec. Gas Ideal

42 Por ejemplo: para 1 mol de CO 2 en CNPT (P=1atm y T=0ºC)

43 Propiedades de los Gases Densidad de los Gases Cuando el Volumen de una masa determinada de gas aumenta, la masa por unidad de volumen (densidad) disminuye proporcionalmente. Entonces, la densidad de un gas varía inversamente proporcional al volumen m V M P R T M= Masa Molar (mol/g)

44 Ley de Dalton En una mezcla de gases la presión total es igual a la sumatoria de las presiones parciales de cada uno de los componentes. 2 atm 1 atm 3 atm 6 atm P T = P 1 + P 2 + P 3 + P P N

45 Ejercicios Un recipiente de 5 litros, al que se ha hecho previamente el vacío, se llena de hidrógeno gaseoso. Si la temperatura es 27 ºC y la presión 700 mm Hg. a) Cuántas moléculas de H 2 contiene el matraz?; b) Cuál es la densidad del gas en estas condiciones? Datos: P = 700 mm Hg = 700/760 atm V = 5,0 l T = 27ºC = = 300ºK Nº de moles =? P.V = n.r.t (700/760).(5) = n.(0,082).(300) n = 0,187 moles El número de moléculas se determina teniendo en cuenta que 1 mol contiene 6,023x10 23 moléculas; así: Nº de moléculas: 0,187 moles. 6,023x10 23 = 1,13x10 23 moléculas de H 2 b) La densidad es la masa por la unidad de volumen: = masa/volumen = 0,374 g/5,0 litros = 0,0748 g/l

46 Ejercicios En el interior de una lámpara de incandescencia cuyo volumen es de 100 ml hay una presión de 1, mm de Hg a 27ºC. Cuando comienza a funcionar, alcanza una temperatura de127ºc. Calcular: a) número de moléculas de gas existentes en el interior de la lámpara; b) Presión en su interior cuando está funcionando. Se trata, en definitiva, de un recipiente lleno de gas, por lo que le es aplicable la ecuación general de los gases ideales: P.V = n.r.t (1, ) (760).(0,1) = n.(0,082).(300) n = 6, moles de gas Nº moléculas = 6, x 6, = 3, moléculas Cuando está funcionando, la única diferencia con la situación anterior es el cambio de temperatura, que ahora es de 127ºC = 400ºK, por lo que se le puede aplicar nuevamente la ecuación general de los gases ideales: P 2 = 1, mm Hg

47 LIQUIDOS

48 LIQUIDOS Tienen volumen definido (independiente del recipiente) Poco compresibles (poco espacio libre entre moléculas) No tienen forma fija (adoptan la forma del recipiente) Las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad (fluyen)

49 Velocidad evaporación = Velocidad condensación EQUILIBRIO DINAMICO

50 Presión de vapor: Es la presión de la fase gaseosa en equilibrio con el líquido. Existe un equilibrio dinámico entre condensación y evaporación. H 2 O (l) H 2 O (g) H 2 O (l) H 2 O (g)

51 Presión de vapor: es la presión a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio dinámico. Cada líquido tiene su Pv y depende de la temperatura

52 Presión De Vapor y Punto de Ebullición Un líquido hierve cuando su presión de vapor es igual a la presión externa que actúa sobre la superficie del líquido. En este punto se hace posible la formación de burbujas de vapor en el interior del líquido. El punto de ebullición de un líquido a una presión de 1 atm es su punto normal de ebullición.

53 Si las fuerzas de atracción entre moléculas del líquido son débiles Líquido volátil (se evapora fácilmente). Volatilidad: Alcohol > agua > aceite Nunca se produce un equilibrio ya que el líquido se evapora hasta sequedad. Las sustancias con presión de vapor elevada se evaporan más rápido. Las que tienen presión de vapor baja se evaporan lentamente. La velocidad de evaporación aumenta con la temperatura. Un líquido hierve cuando su presión de vapor es igual a la presión que tiene sobre su superficie (el vapor hace burbujas en el interior del líquido).

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55 Fuerzas de Cohesión: son las fuerzas que atraen y mantienen unidas las moléculas. Es la acción o la propiedad de las moléculas, de como se pegan entre sí, siendo fuerzas de carácter atractivo. Fuerzas de Adhesión: es la propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos

56 La Cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo La Adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos La cohesión es la causa de que el agua forme gotas, la tensión superficial hace que se mantengan esféricas y la adhesión las mantiene en su sitio

57 Cohesión: fuerza de atracción entre moléculas iguales Adhesión: fuerza de atracción entre moléculas diferentes. Agua/Vidrio Predomina Adhesión Mercurio/Vidrio Predomina Cohesión Menisco cóncavo Fadh > Fcoh Menisco convexo Fcoh > Fadh Adhesión Fadh > Fcoh Cohesión Fcoh > Fadh

58 c = 0 Mojado total c < 90 Moja mucho c > 90 Moja poco c = 180 No moja

59 c = 0 0 < c < 180 c = 180 Mojado total Mojado parcial No hay mojado Poca atracción Mucha atracción e/ partic. del liq. e/ partic. del liq. y mucha atracción y poca atracción por partic. del sólido por partic. del sólido Ejemplo: Agua sobre superficie hidrofílica: c < 90 Agua sobre superficie hidrofóbica c > 90

60 Capilaridad: facilidad que tienen los líquidos para subir por tubos de diámetros pequeñísimos (capilares) donde la fuerza de cohesión es superada por la fuerza de adhesión.

61 Capilaridad La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo

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63 Viscosidad: es la resistencia de un líquido a fluir. Un líquido es más viscoso cuanto menor es su fluidez. La viscosidad se relaciona tanto con las fuerzas intermoleculares de atracción como con el tamaño y la forma de las partículas (rozamiento entre partículas que limitan su movilidad). Muy viscoso (fluye lentamente) Poco viscoso (fluye fácilmente)

64 En la mayoría de los líquidos la viscosidad decrece al aumentar la temperatura. Variación de la viscosidad de un asfalto con la temperatura. Fluidez de diversos lubricantes luego de ser sometidos una noche a -35ºC.

65 Se denomina tensión superficial de un líquido a la energía por unidad de área que se necesita para aumentar una superficie. Tensión superficial: fuerza que se manifiesta en la superficie de un líquido, por medio de la cual la capa exterior del líquido tiende a contener el volumen de éste dentro de una mínima superficie. Como la formación de una superficie requiere energía, los líquidos minimizan su área expuesta respecto al entorno que les rodea. Por esa razón los líquidos al caer tiendan a formar volúmenes esféricos (gotas)

66 La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie A : La resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas (en color azul) que la rodean, será nula. B: Hay menos moléculas arriba que abajo, la molécula roja estará sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido. C: la resultante de las fuerzas de interacción es mayor que en el caso B.

67 Como todo sistema mecánico tiende a adoptar espontáneamente el estado de más baja energía potencial. Una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie [White, Harvey E. (1948). Modern College Physics].

68 Así como hay un trabajo de cambio de volumen dw = P dv también hay un trabajo de cambio de superficie dw = - da F dx = da F dx = 2 L dx (la película tiene 2 superficies) F = 2 L (fuerza que se opone al aumento del área del líquido) = Tensión superficial (erg/cm 2 ) Alcohol 22,3 Agua 72,8 Mercurio 465 La tensión superficial de un líquido se refiere generalmente a la de la interfase del líquido con su vapor.

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