Líquidos Tensión superficial, viscosidad, presión de vapor. Sólidos Sólidos covalentes, iónicos, moleculares y metálicos

Transcripción

1 Fuerzas intermoleculares Estados de agregación de la materia Gases Gases ideales y reales Líquidos Tensión superficial, viscosidad, presión de vapor Sólidos Sólidos covalentes, iónicos, moleculares y metálicos Diagramas de fase Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 1

2 Fuerzas intermoleculares: definición Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas. Son las responsables del estado físico en el que se presentan lasdistintassustancias sustancias. gas líquido sólido Las fuerzas intermoleculares determinan algunas propiedades macromoleculares l como los puntos de fusión y ebullición, viscosidad, etc. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 2

3 Fuerzas intermoleculares: clasificación TIPOS DE FUERZAS INTERMOLECULARES: Fuerzas ion ioni Fuerzas ión dipolo Fuerzas de Van del Waals: Fuerzas de dispersión o London Fuerzas dipolo dipolo Enlaces de hidrógeno Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 3

4 Fuerzas intermoleculares: clasificación Ion ion + Ion dipolo Dispersión de London + Dipolo dipolo Puentes de hidrógeno N H N O H N F H N N H O O H O F H O N H F O H F F H F Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 4

5 Interacciones iónicas Es la atracción entre dos iones de distinta carga: + Energía de interacción: E z z d 1 2 z carga d distancia Mayor interacción: mayor carga y/o menor radio Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 5

6 Interacciones iónicas Ejemplo: Na + Cl Mg 2+ O 2 Radios: Suma radios: r(na) ( ) = 99 pm r(mg( g 2+ ) = 72 pm r(cl ) = 181 pm r(o 2 ) = 140 pm 280 pm 212 pm Cargas: z(na) = 1 z(cl ) = 1 z(mg 2+ ) = 2 z(o 2 ) = 2 zz d 1 2 E E (MgO) E (NaCl) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 6

7 Interacciones iónicas Sustancia T f (ºC) MgO 2800 CaO 2580 SrO 2430 BaO 1923 T f (ºC) F Cl Br I Na K Rb Cs Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 7

8 Interacciones iónicas: energía reticular Energía reticular o energía de red (H red ): energía requerida para separar completamente un mol de un compuesto iónico en sus iones gaseosos. MX (s) M + (g) + X (g) H red Ejemplos: KCl (s) K + (g) + Cl (g) H = 717 kj/mol MgO (s) Mg 2+ (g) + O 2 (g) H = kj/mol Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 8

9 Interacciones iónicas: energía reticular Ciclo de Born Fajans Haber: método para calcular l indirectamente la energía de red, que consiste en diseñar una serie de secuencias de etapas en las se conozcan todas las variaciones de entalpía excepto la etapa en la que se forma la red del cristal a partir de los iones gaseosos. Ejemplo: A (g) + B (g) A + (g) + B (g) AB (s) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 9

10 Interacciones iónicas: energía reticular Ejemplo: KCl K (g) + Cl (g) K + (g) + Cl (g) H I (K) + H EA (Cl) f H(KCl, s) = 437 kj/mol H S (K) = 89 kj/mol H D (Cl 2 ) = 244 kj/mol H I I( (K) = 418 kj/mol H EA (Cl) = 349 kj/mol H red (KCl, s) = 717 kj/mol K (s) + ½ Cl 2 (g) H S (K) + ½ H D (Cl 2 ) H red (KCl, s) f H(KCl, s) ) KCl (s) () = + + H red( (KCl, s) ) = f H(KCl, (, s) ) + H S S( (K) + ½ H D D( (Cl 2 2) + H I I( (K) + H EA( (Cl) 717 = (437) ½(244) (349) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 10

11 Interacciones ion-dipolo Se producen entre un ión y una molécula l polar o dipolo (molécula l con momento dipolar permanente). Un ion atrae la carga parcial de un dipolo Energía de interacción: z ( momento dipolar) E d 2 La hidratación de una sal en agua es un ejemplo de este tipo de interacción. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 11

12 Interacciones de dispersión o London Son dbid debidas a la formación de dipolos instantáneos. Atracción electrostática Átomo de He 1 Átomo de He 2 Se dan entre dipolos instantáneos / dipolos inducidos Están presentes en todas las moléculas y son las únicas interacciones presentes en los gases nobles y en moléculas apolares. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 12

13 Interacciones de dispersión o London Dependen de la polarizabilidad d (): facilidad d con que un átomo adquiere un momento dipolar inducido. E d A 6 B ( polarizabilidad) En general, la polarizabilidad aumenta con el número de electrones y la masa molecular, y también depende de la geometría. He 269 Ne 246 Ar 186 Kr 153 Xe 108 T e (ºC) T e (ºC) F Cl 2 34 Br 2 59 I Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 13

14 Interacciones de dispersión o London Ejemplo: punto de ebullición de los alcanos (ºC) en función del número de átomos de carbono. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 14

15 Interacciones dipolo dipolo Se dan en sustancias polares (dipolos) Energía de interacción: ió E Ejemplo: d A 3 B N 2 NO O 2 (D) masa molar (uma) T e (K) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 15

16 Interacciones dipolo dipolo Cuando se comparan sustancias con masa moleculares muy diferentes, las fuerzas de dispersión normalmente son más importantesque lasfuerzas dipolares. HCl HBr HI (D) masa molar (uma) T e (K) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 16

17 Interacciones de puentes de hidrógeno Interacción dipolo dipolo muy fuerte entre un átomo de H unido a un átomo de N, O of, con otro átomo de N, O of. N H N O H N F H N N H O O H O F H O N H F O H F F H F Es debida a la naturaleza fortísimamente polar del enlace, ya que N, O y F son átomos muy electronegativos. + + X H X H La carga parcial positiva sobre el hidrógeno atrae al par libre de un átomo vecino A, muy electronegativo. Debido al pequeño tamaño del H, es el único elemento que puede dar esta interacción (considerada casi como un enlace). Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 17

18 Interacciones de puentes de hidrógeno Estas interacciones i pueden tener valores de 10 a 40 kj/mol lfrente a los 3 4 kj/mol de las interacciones entre dos dipolos menos intensos. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 18

19 Interacciones de puentes de hidrógeno H 2 O Hielo H 2 O (l) En el líquido, cada molécula solo tiene enlaces de H con alguna de sus vecinas, lo que permite a las moléculas empaquetarse más densamente en el líquido que en el sólido ( sólido < líquido ) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 19

20 Estados de agregación de la materia GAS condensación o licuación vaporización o ebullición cristalización o sublimación inversa LÍQUIDO sublimación solidificación o congelación fusión SÓLIDO Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 20

21 GASES Adoptan la forma y volumen del recipiente que los contiene. Presentan una compresibilidad muy elevada. Tienen densidades mucho menores que sólidos y líquidos. Lasinteracciones entre lasmoléculas (aparte de sus colisiones) son muy pequeñas). En el caso hipotético en el que no hay interacciones entre las moléculas y las colisiones son elásticas, hablamos de gases ideales o perfectos. A bajas presiones y altas temperaturas, casi todos los gases se comportan como ideales. Cuando los gases se alejan del comportamiento ideal, decimos que se trata de gases reales. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 21

22 GASES: gases ideales A bj bajas presiones y altas temperaturas, se cumple: V 1 P Ley de Boyle: (n y T ctes) V Ley de Charles: (n y P ctes) Ley de Avogadro: (P y T ctes) V T n Ecuación de Estado de los Gases Ideales: V nt V R nt P P PV nrt R: constante de los gases R = atm L mol 1 K 1 = J mol 1 K 1 Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 22

23 GASES: mezcla de gases ideales Una mezcla de gases ideales sigue la Ley de Dalton de las Presiones Parciales: La presión total ejercida por la mezcla de gases (P T ) es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases que componen la mezcla. P T = 8.4 atm mol He = + PT P i i La presión parcial del gas i (P i ) es la presión que ejercería el gas i si se encontrara solo a la misma temperatura y ocupando el volumen total mol H 2 P H2 = 6.0 atm 1.25 mol He P H2 = 2.4 atm nrt i 0.50 mol H P= 2 V i Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 23

24 GASES: mezcla de gases ideales nrt i P= P = RT n V V i i T i ni nrt i nrt i i ni RT i i i T V V ni n V i i i i P n P La presión parcial del gas i (P i ) es igual a la fracción molar del gas i en la mezcla multiplicada por la presión total. P i P i T Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 24

25 GASES: gases reales En los gases reales, las interacciones entre las moléculas no son despreciables. La existencia de estas interacciones se hace más apreciable a presiones altasy temperaturas bajas. No existe una ecuación simple para todos los gases reales. La ecuación de Van der Waals recoge dos características importantes de las moléculas que forman los gases reales: su tamaño finito y la atracción que experimentan a distancias medias y grandes: 2 an P 2 V nb nrt V donde a y b son constantes características de cada gas. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 25

26 LÍQUIDOS En los líquidos las distancias intermoleculares son mucho menores que en los gases. Las fuerzas de interacción entre las moléculas son más importantes. La existencia de estas fuerzas se aprecia en la tensión superficial y la viscosidad. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 26

27 LÍQUIDOS: tensión superficial Las moléculas del interior de un líquido se estabilizan más eficazmente ya que presentan un mayornúmero de interacciones atractivas, menor energía que las de la superficie. Por eso los líquidos tienden a presentar una superficie mínima. La tensión superficial es la energía necesaria para aumentar el área de la superficie de un líquido (J m 2 ). La tensión superficial disminuye con el aumento de la temperatura. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 27

28 LÍQUIDOS: tensión superficial Fuerzas cohesivas: las que se dan entre moléculas l dl del mismo tipo. Fuerzas adhesivas: las que se dan entre moléculas de distinto tipo. Consecuencia de la existencia i de estas fuerzas es la existencia i de meniscos y fenómenos de capilaridad. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 28

29 LÍQUIDOS: viscosidad Es la resistencia que opone un líquido a fluir. Cuanto mayores son las fuerzas intermoleculares, mayor es la viscosidad. Las fuerzas de cohesión dentro dllí del líquido crean una fi fricción ió interna que reduce la velocidad del flujo. La viscosidad disminuye cuando la temperatura aumenta. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 29

30 LÍQUIDOS: presión de vapor Las moléculas en la superficie de un líquido presentan fuerzas de atracción por el resto que tienden a mantenerlas unidas a él. Algunas moléculas pueden obtener energía (térmica) suficiente para escapar de la superficie. El proceso de evaporación de moléculas desde la superficie del líquido coexiste con el proceso de condensación de moléculas en estado vapor. Sise deposita un líquido en un recipiente cerrado sin ocuparlo completamente, se alcanza el equilibrio cuando el número de moléculas que abandonan la superficie por unidad de tiempo iguala al de las que se depositan. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 30

31 LÍQUIDOS: presión de vapor v vaporización > v condensación Vaporización ió > v vaporización = v condensación La presión ejercida por un vapor en equilibrio dinámico con su líquido se denomina presión de vapor. La presión de vapor aumenta con la temperatura. Los líquidos con presiones de vapor relativamente altas a temperatura ambiente se denominan volátiles, los que tienen presiones de vapor bajas se denominan no volátiles. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 31

32 LÍQUIDOS: presión de vapor Presión de vapor del agua a diferentes temperaturas Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 32

33 LÍQUIDOS: ebullición Cuando un líquido se calienta en un recipiente abierto hay un momento en el que la vaporización tiene lugar en el seno de todo el líquido, no solamente en la superficie. Se produce la ebullición del líquido. El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la que su presión de vapor iguala la presión externa. Si la presión externa es la presión normal (1 bar), se denomina punto de ebullición normal. (1 atm = bar) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 33

34 SÓLIDOS En los sólidos, las moléculas o iones que los forman tienen la movilidad muy reducida: sus movimientos se limitan a vibraciones en la red. Tipos de sólidos cristalinos Sólidos covalentes: los átomos que forman la red están unidos entre sí por enlaces covalentes. Sólidos iónicos: la red está formada por cationes y aniones. Sólidos moleculares: la red está formada por moléculas neutras. Sólidos metálicos: la red está formada por cationes rodeados de electrones deslocalizados. Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 34

35 SÓLIDOS: sólidos covalentes DIAMANTE GRAFITO red cúbica red hexagonal Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 35

36 SÓLIDOS: sólidos iónicos NaCl CaTiO 3 (Perovskita) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 36

37 SÓLIDOS: sólidos moleculares I 2 Hielo Fósforo blanco (P 4 ) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 37

38 SÓLIDOS: sólidos metálicos Empaquetamiento hexagonal Empaquetamiento cúbico compacto: Mg, Zn, Cd compacto: Na, K, Fe, Cr Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 38

39 Resumen sólidos cristalinos Tipo Metálico Iónico Red covalente Partículas Fuerzas estructurales intermoleculares Cationes y electrones deslocalizados Cationes y aniones Átomos Enlaces metálicos Atracciones electrostáticas Enlaces covalentes Propiedades T f varía de bajo a muy alto Buenos conductores T f varía de moderados a muy altos No N conductores en sólidos pero buenos en líquido Ejemplos Na, Mg, Al, Fe, Sn, Cu, Ag, W NaCl, MgO, NaNO 3 T f muy altos C(diamante), La mayoría no C(grafito), son conductores SiO 2 Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 39

40 Resumen sólidos cristalinos Tipo Molecularno polar Molecular polar Molecularcon enlace hidrógeno Partículas estructurales Fuerzas intermoleculares Propiedades Ejemplos Átomos o He, Ar, H Fuerzas de T moléculas no f muy bajos o 2, CO dispersión moderados 2, CCl 4, polares CH 4, I 2 Moléculas polares Moléculas con H unido a N, O o F Fuerzas de dispersión y atracciones dipolo dipolo Enlaces de hidrógeno T f de bajos a moderados T f de bajos a moderados (CH 3 ) 2 O, CHCl 3, HCl H 2 O, NH 3 Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 40

41 Diagramas de fases El diagrama de fases resume las condiciones en las que una sustancia existe como sólido, líquido o gas, o aquellas en las que hay dos o más fases en equilibrio. Punto triple: valores de P y T donde coexisten 3 fases en equilibrio. Punto crítico: temperatura más alta a la que puede existir el líquido. Presión SÓLIDO LÍQUIDO punto crítico FLUIDO SUPERCRÍTICO punto triple VAPOR Temperatura Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 41

42 Diagramas de fases Ejemplo: diagrama de fases del I 2 Punto fusión normal: o º C T f Punto ebullición normal: o T e º C Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 42

43 Diagramas de fases Ejemplo: diagrama de fases del CO 2 Hielo seco o nieve carbónica Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 43

44 Diagramas de fases Ejemplo: diagrama de fases del H 2 O Hielo H 2 O líquida Curva de fusión: pendiente negativa H 2 Ovapor 2 p sólido < líquido Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 44

45 Diagramas de fases: polimorfismo (alotropía) Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 45

46 Dependencia de la presión de vapor con la temperatura: Ecuación de Clausius-Clapeyron P Pendiente de la curva de coexistencia de estados: sólido líquido d P = H dt TV vapor (H entalpía del cambio de fase) T Vaporización: dp v H = vap P v H vap dp H v dt TV 2 = vap dt nrt P 2 nrt v ln = Hvap Pv cte nrt T 1, P v1 : H ln Pv 1 = nrt T 2, P v2 : H ln Pv 2 = nrt vap 1 vap 2 cte cte P 2 v H ln = vap 1 1 P v1 nr T1 T2 Fundamentos de Química (1º Grado en Física) 2011/2012 FUERZAS INTERMOLECULARES 46