FASES Y ESTADOS DE LA MATERIA. Estados de la materia CAMBIOS DE FASE Y DIAGRAMAS DE FASE. Fase: CAMBIOS DE FASE FASE Y ESTADOS DE LA MATERIA

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1 FASES Y ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIOS DE FASE Y DIAGRAMAS DE FASE Estados de la materia Bibliografía: Química la Ciencia Central - T.Brown, H.Lemay y B. Bursten. Quimica General - R. Petruci, W.S. Harwood y F.Herring. "Quimica" R. Chang. Principios de Química - P. Atkins y L. Jones. Química General - McMurry-Fay Fase: Orden molecular: Sólido > líquido > gas Muestra de materia homogénea y uniforme (en su composición química y en sus propiedades físicas). Presenta límites definidos: se distingue de otras fases con la que se encuentra en contacto. Fases condensadas sólida o líquida. FASE Y ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIOS DE FASE Sistema Homogéneo: una sola fase Heterogéneo: dos o más fases: Sistema heterogéneo: hielo en agua Un sólo componente: H 2 O Dos fases: H 2 O(l) y H 2 O(s), se diferencian en sus propiedades físicas. Sistema homogéneo: aire. Varios componentes, una sola fase Cambios físicos f que se caracterizan por cambios en el orden molecular Fusión Sublimación (Sólido lido > Líquido L > Gas). Vaporización S Ó L I D O L Í Q U I D O GASEOSO Solidificación Condensación (congelación) Deposición (sublimación regresiva) Cambios energéticos que acompañan a los cambios de fase En todo cambio de fase está implicada una cierta cantidad de energía. Se absorbe energía (ΔH > 0) cuando en el cambio de fase se pasa de : Sistema ordenado Sistema más desordenado Cambios energéticos que acompañan a los cambios de fase Se desprende energía (ΔH < 0)cuando en el cambio de fase se pasa de: Sistema desordenado Sistema más ordenado Fusión Sublimación Vaporización GASEOSO Condensación L Í Q U I D O Solidificación (congelación) S Ó L I D O S Ó L I D O L Í Q U I D O GASEOSO ΔH > 0 procesos endotérmicos Deposición (sublimación regresiva) ΔH < 0 procesos exotérmicos 1

2 Proceso de Vaporización: Liquído Gas ΔH > 0 Liquído Gas ΔH > 0 El cambio de fase puede tener lugar de dos maneras distintas: Evaporación: sólo las partículas que se encuentran en la superficie del líquido escapan de la atracción de las demás partículas. - Deben adquirir suficiente energía para liberarse. - El proceso ocurre lentamente a cualquier T. Recipiente abierto Recipiente cerrado Ebullición: a una temperatura determinada, (T eb ), la vaporización se produce en todo el volumen del líquido y no sólo en la superficie. Cualquier partícula, del interior o de la superficie, adquiere suficiente energía para escapar de sus vecinas (la energía es proporcionada por una fuente calorífica). Calor de vaporización o entalpía de vaporización (ΔH vap ) Condensación: n: proceso inverso al de vaporización. Cantidad de calor que debe ser absorbido para que una cierta cantidad de líquido se vaporice a T = cte. Gas Liquído ΔH cond < 0 Liquído Gas ΔH > 0 endotérmico ΔH cond = - ΔH vap Su valor depende de la intensidad de las fuerzas intermoleculares entre las partículas. H 2 O(l) H 2 O(g) ΔH vap = + 44 kj mol 1 H 2 O(g) H 2 O(l) ΔH cond = 44 kj mol 1 Por qué una quemadura con vapor es más grave que una con agua caliente? - PRESIÓN DE VAPOR Presión de vapor: presión ejercida por el vapor en equilibrio dinámico con su líquido. Es constante a T constante. Vaporv3.swf PRESIÓN DE VAPOR Su valor depende de la naturaleza del líquido y de la T. P v P atm = P vapor + P Hg Cuando las velocidades de ambos procesos se igualan: v vaporización = v condensación el líquido y el vapor se encuentran en un estado de equilibrio dinámico. A T = 25 C 2

3 La presión de vapor de un líquido aumenta al aumentar la temperatura. Curva de Presión de vapor Curva de equilibrio entre dos fases: P v del agua líquida líquido-gas. (entre 0 C y 100 C) Tº(C) Pv (mm Hg) 4,584 17,55 92,65 355,6 760,0 PRESIÓN DE VAPOR Pv(mm Hg) Líquido Gas PRESIÓN N DE VAPOR PUNTO DE EBULLICIÓN Punto de ebullición: temperatura a la cual la presión vapor de un líquido iguala a la presión externa. Punto de ebullición normal: T a la cual la presión vapor del líquido iguala a la presión externa de 1 atm Presión de vapor (Torr) Punto de ebullición normal del H 2 O(l): Pv = Pext = 1 atm Teb = 100 C T ( C) En cada punto hay un par de valores (P, T) para los cuales existe equilibrio ( C) Ej: En la cumbre del Monte Everest donde la Patm = 260 mmhg el agua hierve a Teb= 71 C PRESIÓN N DE VAPOR Y NATURALEZA DEL LÍQUIDOL Líquidos volátiles: tienen Pv alta a T ambiente Líquidos no volátiles: tienen Pv baja a T ambiente. Mayor volatilidad F. Intermoleculares más débiles mayor Presión de vapor, menor Punto de ebullición PE. CAMBIOS DE FASE: CURVA DE CALENTAMIENTO Al suministrar calor a una sustancia en estado sólido: F. Intermoleculares: éter dietílico < etanol < agua Cuanto más m s débiles d sean las F.I: Se necesita menor temperatura para alcanzar una determinada presión. Teb: éter < etanol < agua A T = cte, mayor cantidad de partículas pasan a la fase vapor mayor Pv. Pv: éter > etanol > agua Durante un cambio de fase la temperatura de la sustancia no se modifica DIAGRAMAS DE FASE Representación gráfica de las condiciones de temperatura y presión a las que existen los sólidos, líquidos y gases como fases únicas de los estados de la materia o como dos o más fases en equilibrio. Líneas AB, BD y BC: Cada punto corresponde a un par de valores P,T en las que coexisten dos fases en equilibrio: DIAGRAMAS DE FASE PUNTO CRÍTICO: Punto por encima del cual la fase líquida y gaseosa de una sustancia son indistinguibles (caracterizado por Tc y Pc). AB: equilibrio sólido - gas. BD: equilibrio sólido - líquido. BC: equilibrio líquido- gas. T << Tc T Tc T > Tc Punto triple: caracterizado por valores únicos de P y T en los que coexisten las tres fases en equilibrio. Fluído supercrítico 3

4 Presión DIAGRAMA DE FASES Condensa No condensa Por encima de la Tc un gas no puede licuarse independiente de la P que se le aplique. Fluido Supercrítico crítica Tc más alta a la cual puede existir una sustancia en estado líquido. Presión crítica: Mínima presión que debe aplicarse para producir la licuefacción del gas a la Tc. Presión n ( (atm atm) B DIAGRAMA DE FASE DEL AGUA Curva Pto. fusión: Pendiente negativa D A = Punto triple T = 0,01 C y P = 0,00603 atm C= Punto crítico (Tc( y Pc) Línea AC: Curva de presión de vapor. Corresponde al equilibrio L-V H 2 O(l) H 2 O(g) Línea AD: Curva de equilibrio S-L H 2 O(s) H 2 O(l) Línea AB: Curva de equilibrio S-G H 2 O(s) H 2 O(g) DIAGRAMAS DE FASE: Aplicaciones Liofilización: deshidratación n a baja presión 1) El café molido se congela 2) Se disminuye la presión 3) El agua sólida pasa a agua gaseosa la que se elimina. Ventajas: Evita el secado por calentamiento (destruiría a moléculas del sabor) En ausencia de agua no crecen bacterias. Curva Pto. fusión: Pendiente positiva Presión n ( (atm atm) DIAGRAMA DE FASE DEL CO 2 Punto triple: T= -57 C, A 1 atm sublima P= 5,11 atm P(pto triple) > 1 atm). Tc= 31ºC y Pc= 73 atm 20 C 30 C 31 C El CO 2 no puede existir en estado líquido a presiones por debajo de 5,11 atm. DIAGRAMAS DE FASE H 2 O vs CO Recordemos las principales diferencias DIAGRAMA DE FASES 1.- Considere una muestra de hielo, representada por el punto X en el diagrama, a 1 atm de presión y a una temperatura T. Describa lo que sucede cuando: a) Aumenta la T, a P = cte, hasta el punto Y. X R G Z Y Luego, a la T del punto Y aumenta la presión hasta el punto Z. b) Disminuye la P, a T = cte, hasta el punto R. Luego, a la P del punto R, aumenta la T hasta el punto G. 4

5 DIAGRAMAS DE FASE H 2 O 2.- Considere el punto de fusión normal del agua (0 C, 1 atm). Describa lo que sucede cuando: a) aumenta la P a T = cte b) disminuye la T a P = cte 3.- Considere el punto de ebullición normal del agua (100 C, 1atm). Describa lo que sucede cuando: a) disminuye la P a T = cte b) aumenta la P a T = cte b) disminuye T hasta 0 C, a P = cte, 4.- Marque en el diagrama el punto de fusión y de ebullición del agua a P = 0,5 atm. 5