UNIDAD 5: ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA QUÍMICA CPAM

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1 UNIDAD 5: ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA QUÍMICA CPAM

2 OBJETIVO Reconocer los estados de la materia, sus propiedades, leyes que las gobiernan y los cambios de estado físico.

3 ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA Casi todas las sustancias pueden encontrarse en estado sólido, líquido y gaseoso, dependiendo de la presión y la temperatura.

4 Gases

5 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS GASES Son capaces de adquirir cualquier forma Son compresibles Pueden mezclarse con todo tipo de elementos con mucha facilidad Tienen una densidad mucho menor que los sólidos y los líquidos.

6 Fuerzas intermoleculares muy pequeñas o ausentes Moléculas se mueven aleatoriamente e independientes unas de otras Sensibles a P y T Volumen variable Compresibles y expansibles Forma variable Baja densidad

7 Sustancias gaseosas Elementos que se encuentran en forma de moléculas bi atómicas (H 2, O 2, N 2, Cl 2 ) Gases nobles Compuestos moleculares (covalentes) Ningún compuesto iónico se encuentra en estado gaseoso en condiciones normales

8 Elementos gaseosos Sustancias que existen como gases a temperatura ambiente Oxígeno O 2 Ozono O 3 Nitrógeno N 2 Fluor F 2 Cloro Cl 2 Hidrógeno H 2 Helio He Neón Ne Argón Ar Kriptón Kr Xenón Xe Radón Rn

9 Compuestos gaseosos Bióxido de carbono CO 2 Monóxido de carbono CO Oxido nítrico NO Bióxido de nitrógeno NO 2 Trióxido de di nitrógeno N 2 O 3 Cloruro de hidrógeno HCl Dióxido de azufre SO 2 Amoniaco NH 3 Metano CH 4

10 Presión de un gas Presión = Fuerza Área (Fuerza = masa aceleración) Unidades de presión 1 Pascal (Pa) = 1 N/m 2 1 atm = 760 mmhg = 760 torr 1 atm = 101,325 Pa

11 Presión = Fuerza Área (Fuerza = masa aceleración) Area Presión Area Presión

12 Leyes de los gases Son generalizaciones respecto al comportamiento y propiedades físicas de los gases. Ley de Boyle (relación P- V) Ley Charles y Gay Lussac (relación T- V) Ley de Avogadro (relación n- V)

13 Ley de Boyle Variación del volumen de un gas con la presión P a 1/V Temperatura constante P x V = constante P 1 x V 1 = P 2 x V 2

14 Una muestra de cloro en estado gaseoso ocupa un volumen de 946 ml y se encuentra a una presión de 726 mmhg. Cuál es la presión que se necesita para que el volumen disminuya a 154 ml si la temperatura de la muestra es constante? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P 1 = 726 mmhg V 1 = 946 ml P x V = constante P 2 =? V 2 = 154 ml P 2 = P 1 x V 1 V mmhg x 946 ml = = 4460 mmhg 154 ml

15 Ley de Charles y Gay Lussac Variación del volumen de un gas con la temperatura V a T

16 V a T V = constante x T V 1 /T 1 = V 2 /T 2 P1 < P2 < P3 < P4 La temperatura debe ser expresada en K T (K) = t ( 0 C)

17 Expansión de un gas Tubo de ensayo Mercurio V a T Gas Temperatura baja Temperatura alta Si la temperatura aumenta entonces... el volumen aumenta

18 Ley de Avogadro Variación del volumen de un gas con el número de moles V a número de moles (n) V = constante x n V 1 / n 1 = V 2 / n 2 Temperatura constante Presión constante

19 Ley de Avogadro V a número de moles (n)

20 El amoniaco reacciona con el oxígeno para formar NO y vapor de agua. Si se utilizan X litros de amoniaco, cuantos litros de NO se formarán a temperatura y presión constantes? 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O 1 mol NH 3 1 mol NO con temperatura y presión constantes 1 volumen NH 3 1 volumen NO

21 GASES IDEALES Resumen de las leyes de los gases V a número de moles (n) V = constante x n V 1 / n 1 = V 2 / n 2 Temperatura constante Presión constante

22 Ley de Charles: GASES IDEALES Ley de Boyle: V a 1 (T y n constantes) P V a T (P y n constantes) Ley de Avogadro: V a n (P y T constantes) V a nt P V = constante x nt P = R nt P R = constante universal de los gases PV = nrt

23 GASES IDEALES Gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de presión, volumen y temperatura se puede describir completamente con la ecuación del gas ideal. En un gas ideal las moléculas no se atraen ni se repelen entre sí. PV = nrt

24 GASES IDEALES El comportamiento de la mayoría de los gases se acerca al ideal en condiciones normales de P y T. Sin embargo... A presiones muy altas la densidad del gas aumenta, la distancia entre las moléculas disminuye y las fuerzas intermoleculares se hacen significativas. A temperaturas muy bajas la energía cinética de las partículas disminuye y las moléculas pierden el impulso que necesitan para romper las fuerzas de atracción mutua.

25 Cuando en una muestra la temperatura es 0 C y la presión es 1 atm, se dice que ésta se encuentra en condiciones estándar de presión y temperatura. Se ha demostrado que en estas condiciones, 1 mol de un gas ideal ocupa litros de volumen. PV = nrt R = PV nt = (1 atm)(22.414l) (1 mol)( K) R = L atm / (mol K)

26 Cuál es el volumen en litros que ocupan 49.8 gramos de ácido clorhídrico (HCl) a presión y temperatura estándar? PV = nrt V = nrt P P = 1 atm n = 49.8 g x T = 0 0 C = 273 K 1 mol HCl g HCl = 1.37 mol V = L atm 1.37 mol x x 273 K mol K 1 atm V = 30.6 L

27 El argón es un gas inerte que se usa en algunas bombillas para retrasar la vaporización del filamento. Cierto foco contiene argón a 1.2 atm de presión y cambia de temperatura desde 18 C hasta 85 C. Cuál es la presión final del argón en atm si el volumen del sistema es constante?. PV = nrt nr V P 1 = P T = constante P 2 = T 1 T 2 P 2 = P 1 x T 2 T 1 n, V y R son constantes P 1 = 1.20 atm T 1 = 291 K = 1.20 atm x 358 K 291 K P 2 =? T 2 = 358 K = 1.48 atm

28 GASES IDEALES Qué ocurre cuando hay cambios en P, V, T o n? P 1 V 1 = n 1 R T 1 P 2 V 2 = n 2 R T 2 P 1 V 1 = R n 1 T 1 P 2 V 2 = R n 2 T 2 P 1 V 1 P 2 V = 2 n 1 T 1 n 2 T 2

29 GASES IDEALES Todas las leyes de los gases analizadas, derivan de esta ecuación: P 1 V 1 P 2 V = 2 n 1 T 1 n 2 T 2 Si n es constante, la ecuación se reduce a. P 1 V 1 P 2 V = 2 T 1 T 2

30 Un globo cargado con 2,3 L de un gas desconocido se suelta desde el suelo y sube durante 3 minutos hasta una altura en que la presión es de 0,25 atm. Cuál será el volumen ocupado por el gas a dicha presión?. Asumir que la T permanence constante. (Asumir que la P a nivel del suelo es de 1 atm). P 1 V 1 P 2 V = 2 n 1 T 1 n 2 T 2 Rta: 9,2 L

31 Una burbuja de aire se eleva desde el fondo de un lago, donde la temperatura y presión son de 8 C y 6,4 atm, hasta la superficie del agua, donde la temperatura es de 25 C y la presión de 1,0 atm. Calcular el volumen final de la burbuja (en ml) si su volumen inicial era de 2,1 ml. P 1 V 1 P 2 V = 2 n 1 T 1 n 2 T 2 Rta: 14,25 ml

32 Densidad de los gases d = m V PV = nrt n = M m PV = m M RT P M = m RT V d = m V = PM RT m M masa del gas en gramos PESO MOLECULAR del gas

33 Otros Cálculo: PESO MOLECULAR de un gas d = m V = PM RT M = d RT P d densidad del gas en g/l PV = nrt

34 Un contenedor de 2.1 litros contiene 4.65 gramos de un gas a 1 atm de presión a 27 C. Cuál es la masa molar del gas? M = drt P d = m V 4.65 g = = 2.21 g 2.10 L L M = 2.21 g L x atm L atm mol K x K M = 54.6 g/mol

35 Estequiometría en los gases Volúmenes molares Cuando los reactivos o productos de una reacción son gases, también se puede aplicar la relación entre número de moles (n) y volumen (V) en los cálculos estequiométricos.

36 Uno de los componentes del gas de cocina es el hidrocarburo propano (C 3 H 8 ). Este se quema al contacto con el oxígeno del aire mediante la siguiente reacción: C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O a- Cuántos moles de bióxido de carbono se producirán por combustión de 7,8 L de propano en condiciones estándar?. Rta: 1,045 moles b- Qué volumen de oxígeno reaccionará con dicha cantidad de propano?. Rta: 39 L c- Cuántas moléculas de agua se formarán en la reacción? (para 7,8 L de propano).. Rta: 8, moléculas Obs: Considerar condiciones estándar en todos los cálculos.

37 La azida de sodio (NaN 3 ) se usa en bolsas de aire en algunos automóviles. El impacto de una colisión desencadena la descomposición de dicha sustancia mediante la siguiente reacción: 2 NaN 3 2 Na + 3 N 2 El nitrógeno gaseoso producido infla rápidamente la bolsa que se encuentra entre el conductor y el parabrisas. Calcular el volumen de N 2 generado a 80 C y 823 mmhg por la descomposición de 60 g de azida de sodio. Rta: 37 L Qué número de moléculas de azida de sodio deben degradarse para generar 80 L de nitrógeno gaseoso en condiciones estándar?. Rta: 1, moléculas Cuál será la masa de sodio sólido formado a partir de dicha cantidad de moléculas de azida en condiciones estándar?. Rta: 54,8 g

38 Presiones parciales de los gases Ley de Dalton V y T son constantes Al combinar los gases P 1 P 2 P total = P 1 + P 2

39 Considerar un caso en el cual dos gases, A y B, se encuentran en un contenedor de volumen V. P A = n ART V P B = n BRT V n A es el número de moles de A n B es el número de moles de B P T = P A + P B X A = n A n A + n B X B = n B n A + n B P A = X A P T P B = X B P T P i = X i P T Fracción molar (X i ) = n i n T 5.6

40 Una muestra de gas natural contiene 8.24 moles de CH 4, moles de C 2 H 6, y moles de C 3 H 8. Si la presión total de los gases es de 1.37 atm, Cuál es la presión parcial del propano (C 3 H 8 )? P i = X i P T P T = 1.37 atm X propano = = P propano = x 1.37 atm = atm

41 Teoría cinética molecular de los gases Explica el comportamiento de los gases a nivel molecular. 1. Las moléculas de un gas están separadas por distancias mucho mayores que sus propias dimensiones. 2. Las moléculas de un gas están en movimiento aleatorio y colisionan unas con otras. 3. Las moléculas no ejercen entre sí fuerzas de atracción o repulsión. 4. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura (Kelvin) del gas.

42 Teoría cinética molecular de los gases La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la masa por el cuadrado de la velocidad. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatúra (Kelvin) del gas. EC = m V 2 2 = C.T Al aumentar la temperatura, la velocidad de las moléculas aumenta mucho.

43 Según la teoría cinética, la PRESION de un gas, es el resultado de las colisiones entre las moléculas y las paredes del recipiente que lo contiene. TEMPERATURA. Velocidad y energía cinética de las moléculas. Frecuencia y fuerza de las colisiones. PRESION.

44 Aplicación de las leyes de los gases Compresibilidad de los gases: Como las moléculas del gas se encuentran separadas por grandes distancias, los gases pueden comprimirse fácilmente. Ley de Boyle: La presión de un gas es proporcional a la velocidad y el número de colisiones sobre las paredes del recipiente, lo cual a su vez es proporcional a la densidad numérica del gas. Entonces: Al disminuir el volumen de cierta masa de gas, la densidad aumenta y aumenta la presión. Al aumentar el volumen, la densidad disminuye, y la presión disminuye.

45 Aplicación de las leyes de los gases Ley de Charles: Si la temperatura del gas aumenta, aumentará la energía cinética y la velocidad de las partículas. Las moléculas chocarán más a menudo y con mayor fuerza contra las paredes. El gas se expandirá, aumentando su volumen, hasta que la presión se equilibre con el exterior.

46 Líquidos y sólidos Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

47 Sólidos y líquidos Estados condensados La principal diferencia entre los gases y los estados condensados (sólidos y líquidos) es la distancia entre las partículas que los constituyen. En los gases la distancia entre las partículas es muy grande, por ese motivo son poco densos y muy compresibles. En los líquidos y sólidos, hay muy poca distancia entre las partículas. Por ese motivo son mucho más densos y poco o nada compresibles.

48 Características de los líquidos En un líquido, las moléculas están bastante cerca unas de otras e interaccionan mediante fuerzas intermoleculares. No ocupan posiciones fijas sino que se desplazan unas respecto a otras. Esto determina las características macroscópicas de los líquidos: 1. Menos compresibles que los gases 2. Más densos que los gases 3. Poseen volumen definido 4. Fluyen 5. Adoptan la forma de su contenedor.

49 Propiedades de los líquidos Tensión superficial Presión de vapor Calor molar de vaporización Punto de ebullición Capilaridad Viscosidad

50 Propiedades de los líquidos Tensión superficial La tensión superficial es la cantidad de energía requerida para aumentar la superficie de un líquido en una unidad (cm 2 ). Es. el resultado de las fuerzas de atracción de las moléculas del interior del líquido hacia las moléculas de la superficie. Es responsable de la formación de gotas.

51 Propiedades de los líquidos Tensión superficial Fuerzas intermoleculares fuertes Alta tensión superficial La elevada tensión superficial del agua se debe a la presencia de puentes de hidrógeno.

52 Propiedades de los líquidos Capilaridad Es una consecuencia de la tensión superficial de los líquidos. Ocurre cuando un extremo de un tubo capilar se introduce en un líquido y entran en juego fuerzas de adhesión y cohesión. FUERZA DE ADHESION es una atracción entre moléculas diferentes. FUERZA DE COHESION es la atracción intermolecular entre moléculas similares.

53 ASCENSO CAPILAR DESCENSO CAPILAR Adhesión Cohesión F adhesión F cohesión F cohesión F adhesión

54 Propiedades de los líquidos Presión de vapor Es la presión que ejerce el vapor que está en equilibrio con la superficie de un líquido. La presión de vapor en equilibrio es la presión de vapor medida cuando existe un equilibrio dinámico entre la condensación y la evaporación. H 2 O (l) H 2 O (g)

55 Rapidez H 2 O (l) H 2 O (g) Equilibrio dinámico Tasa de condensación = Tasa de evaporación Tiempo

56 Propiedades de los líquidos Presión de vapor Presión de vapor baja Alta Líquidos no volátiles (evaporan difícilmente) Líquidos volátiles (evaporan fácilmente)

57 Factores que afectan la presión de vapor 1. Naturaleza del líquido: Cuanto mayores sean las fuerzas intermoleculares, menor es la presión de vapor 2. Temperatura: al aumentar la temperatura la presión de vapor aumenta, debido a mayor movimiento molecular y a que mayor número de moléculas de líquido pasa a la fase de vapor.

58 Presión de vapor contra temperatura La temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión atmosférica, define el punto de ebullición de una sustancia.

59 Propiedades de los líquidos Punto de ebullición La presión de vapor de un líquido aumenta al aumentar la temperatura. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor (en equilibrio) de un líquido es igual a la presión externa. El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual un líquido hierve cuando la presión externa es de 1 atm.

60 Propiedades de los líquidos Calor molar de vaporización Calor molar de vaporización (DH vap ) es la energía requerida para vaporizar 1 mol de un líquido en su punto de ebullición. Este depende de la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Cuanto mayores estas sean, se necesitará mayor cantidad de energía para romperlas y pasar al estado gaseoso.

61 CH 4 y argón. Fuerzas de dispersión débiles. Agua y etanol Puentes de Hidrógeno. Calor de vaporización y PE bajos Calor de vaporización y PE altos

62 Propiedades de los líquidos Viscosidad Es una medida de la resistencia de un líquido a fluir. Fuerzas intermoleculares fuertes Alta viscosidad

63 Factores que afectan a la Viscosidad 1. Naturaleza del líquido: Cuanto mayores son las fuerzas intermoleculares mayor es la viscosidad. Ej: Agua y glicerol que forman puentes de hidrógeno tienen alta viscosidad. Eter y acetona, de escasa polaridad, presentan interacciones más débiles y tienen menor viscosidad. 2. Temperatura: al aumentar la temperatura la viscosidad disminuye, debido a mayor movimiento molecular. 3. Tamaño y forma de la molécula: a mayor tamaño molecular, mayor viscosidad

64 Propiedades de los sólidos 1. Las moléculas o partículas ocupan una posición rígida y no tienen libertad de movimiento 2. Poseen ordenamiento tridimensional de largo alcance 3. Son casi incompresibles 4. Poseen forma y volumen bien definidos 5. Son más densos que los líquidos (en general).

65 Propiedades de los líquidos Disposición de las partículas Un sólido cristalino posee un orden rígido y altamente organizado. En este caso los átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas (predecibles) dentro de la estructura. Un sólido amorfo no posee una disposición bien definida ni un orden molecular de rango largo.

66 Una celda unitaria es la unidad estructural de repetición básica de un sólido cristalino. En los puntos de entrecruzamiento: Átomos Moléculas Iones punto de entrecruzamiento Celda unitaria Celdas unitarias en 3 dimensiones

67 Tipos de sólidos cristalinos Cristales iónicos Puntos de entrecruzamiento ocupados por cationes y aniones Se mantienen unidos por atracción electrostática Duros, frágiles, punto de fusión alto Malos conductores de calor y electricidad CsCl ZnS CaF 2

68 Tipos de sólidos cristalinos Cristales covalentes Puntos de entrecruzamiento ocupados por átomos Se mantienen unidos por enlaces covalentes Duros, punto de fusión alto Malos conductores de calor y electricidad átomos de carbono diamante grafito

69 Tipos de sólidos cristalinos Cristales moleculares Puntos de entrecruzamiento ocupados por moléculas Se mantienen unidos por fuerzas intermoleculares Blandos, punto de fusión bajo Malos conductores de calor y electricidad

70 Tipos de sólidos cristalinos Cristales metálicos Puntos de entrecruzamiento ocupados por átomos de metal Se mantienen unidos por enlaces metálicos Blandos a duros, punto de fusión de bajo a alto Buenos conductores de calor y electricidad núcleo y capa interna e - mar móvil de e -

71 Sólidos amorfos Un sólido amorfo no posee una disposición bien definida ni orden molecular de rango largo. Un vidrio es un producto de fusión de materiales inorgánicos ópticamente transparente, que tiene un estado frío rígido sin cristalización Cuarzo cristalino (SiO 2 ) Vidrio de cuarzo no cristalino

72 Distancia entre partículas Fuerzas entre las partículas Disposición de las partículas GAS LIQUIDO SOLIDO Grande Pequeña Muy pequeña Escasas o nulas Totalmente aleatoria Fuerzas intermoleculares Enlace metálico (mercurio) Más o menos desordenada. No posiciones fijas Densidad Muy baja Alta Alta Movilidad de las partículas o moléculas Absoluta libertad de movimiento Grande. Los líquidos fluyen Fuerzas intermoleculares, enlace covalente, enlace metálico o Enlace iónico Posiciones fijas. Puede estar organizada o no. Escasa. Vibran en posiciones fijas. Forma Variable Variable Constante Volumen Variable Constante Constante. Compresibilidad Alta Muy pequeña Casi nula

73 Cambios de estado físico

74 Vaporización Condensación Cambios de estado físico Orden mínimo T 2 > T 1 Orden mayor

75 Fusión Congelación Cambios de estado físico H 2 O (s) H 2 O (l) El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura en la cual las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio.

76 Calor molar de fusión (DH fus ) es la energía requerida para fundir 1 mol de una sustancia sólida en su punto de congelación.

77 Sublimación Deposición Cambios de estado físico H 2 O (s) H 2 O (g) Calor molar de sublimación es la energía requerida para sublimar 1 mol de un sólido. DH sub = DH fus + DH vap

78 Curva de calor

79 Un DIAGRAMA DE FASES resume las condiciones en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas. Diagrama de fases del agua

80 Diagrama de fases del Dióxido de carbono A 1 atm CO 2 (s) CO 2 (g)

81 Efecto del aumento de la presión en el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua

82 Propiedades especiales del agua En estado sólido las moléculas están unidas por puentes de hidrógeno formando una estructura cristalina altamente organizada (hielo). La densidad del hielo es menor que la del agua entre 0 y 4.

83 Densidad del agua El hielo es menos denso que el agua Densidad máxima 4 0 C Comportamiento anómalo del agua Temperatura

84 Propiedades especiales del agua Al aumentar la temperatura hasta 0 los puentes de hidrógeno del agua se debilitan y se desmorona la estructura cristalina. Las moléculas se desordenan, disminuye el espacio entre ellas y la densidad aumenta (estado líquido).

85 Otras propiedades especiales del agua La presencia de puentes de hidrógeno le confiere al agua propiedades especiales: Alto punto de ebullición: Determina la existencia de agua líquida sobre el planeta. Elevado calor de vaporización: Evita la deshidratación a temperaturas elevadas. Permite que la transpiración elimine el calor corporal con eficiencia. Elevada tensión superficial.