Fuerzas Interparticulares

Transcripción

1 Teoría, Dra. Sandra Signorella Profesora Titular Área Química General e Inorgánica Tema FUERZAS INTERPARTICULARES Año 2018 Fuerzas Interparticulares Estado gaseoso, líquido y sólido Gases reales y Ec. de V. der Waals Interacciones ion-dipolo, dipolo-dipolo Fuerzas de dispersión de London Puente de H Fuerzas interparticulares y puntos de ebullición Propiedades de los líquidos: difusión, viscosidad, tensión superficial, acción capilar Cambios de fase Curvas de calentamiento Presión de vapor Punto de ebullición Ecuación de Clasius Clapeyron Diagramas de fases PT Diagramas de fases PV: curvas de Andrews GASES REALES: DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEAL: Efecto de la Presión sobre el FACTOR de COMPRESIVILIDAD PV/nRT PV/nRT SÓLIDO ORDENADO Forma y volumen propios Prácticamente incomprensible No fluye Difusión extremadamente lenta LÍQUIDO DESORDENADO Forma del recipiente Volumen propio Prácticamente incomprensible Fluye fácilmente Difusión lenta GAS CAÓTICO Forma y volumen del recipiente Comprensible Fluye fácilmente Difusión rápida P (atm) Altas Presiones Bajas Presiones P (atm) Page 1

2 GASES REALES: DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEAL: Efecto de la Temperatura sobre el FACTOR de COMPRESIVILIDAD PV/nRT A altas T y bajas P los gases reales se comportan como gases ideales. GASES REALES Volumen real y atracciones intermoleculares El efecto del volumen ocupado por las moléculas de gas es más notable a mayores presiones V efectivo < V recipiente P (atm) A altas P y bajas T se desvían del comportamiento ideal debido a interacciones intermoleculares de Van der Waals P medida < P ideal La atracción ejercida por las otras moléculas del gas reducen la P sobre la superficie del recipiente Ecuación de Van der Waals Esta ecuación corrige la ecuación general de los gases tomando en cuenta las fuerzas de atracción interparticulares y el volumen molecular y describe mejor el comportamiento de los gases a altas presiones y bajas temperaturas Presión medida ( an P + 2 ) V 2 Corrección por fuerzas de atracción intermolecular La magnitud de a refleja la fuerza con que las moléculas del gas se atraen entre sí Volumen del recipiente (V - nb) = nrt Corrección por volumen Molecular b = medida del volumen ocupado por un mol de moléculas del gas y tiene unidades de L/mol Constantes de Van der Waals Gas Fórmula L 2 atm mol -2 L mol -1 Helio He 0, ,02370 Hidrógeno H 2 0,2444 0,02661 Argón Ar 1,345 0,03219 Nitrógeno N 2 1,390 0,03913 Amoníaco NH 3 4,170 0,03707 Xenón Xe 4,194 0,05105 Agua H 2 O 5,464 0,03049 Cloro Cl 2 6,493 0,05622 a b Page 2

3 EJERCICIO DE APLICACIÓN kg de N 2 (g) se almacenan en un cilindro metálico de L a 280ºC. (a) Calcular la presión del gas suponiendo comportamiento ideal. (b) Calcular la presión del gas según la ecuación de van der Waals. 120 kg x 1000 g/kg n = = 4285,7 mol; T = = 553 K 28 g/mol nrt 4285,7 mol L atm P = = x 0,082 x 553 K = 176,7 atm V 1100 L mol K nrt an P = - 2 = (V - nb) V 2 (4285,7 x 0,082 x 553) L atm 1,39 L = - 2 atm x (4285,7) 2 mol 2 ( ,7 x 0,03913) L mol L 2 = 208,45 21,1 = 187,35 atm FUERZAS INTERPARTICULARES ION - DIPOLO DIPOLO - DIPOLO FUERZAS DE VAN DER WAALS DIPOLO- DIPOLO INDUCIDO PUENTES DE HIDRÓGENO DISPERSIÓN DE LONDON FUERZAS ION-DIPOLO FUERZAS DIPOLO-DIPOLO Sólido iónico Solvente polar molécula polar Ion Molécula polar Page 3

4 FUERZAS DIPOLO-DIPOLO INDUCIDO Dipolo Molécula polar Molécula apolar FUERZAS DE DISPERSIÓN DE LONDON Aumentan con el tamaño: mayor tamaño, mayor polarizabilidad Molécula apolar Dipolo-dipolo inducido Dipolo instantáneo Dipolo instantáneo dipolo inducido + PUENTE DE HIDRÓGENO Entre moléculas dipolares con H y átomo muy electronegativos (N, O, F) d- d+ PUENTE DE HIDRÓGENO estabiliza la estructura de las proteínas y baja la densidad del hielo respecto al agua líquida Enlace iónicoenergías DE ENLACE E INTERMOLECULARES kj/mol Ion-dipolo kj/mol Puente de H kj/mol Enlace covalente kj/mol Enlace metálico kj/mol Dipolo-dipolo 5-25 kj/mol Ion-dipolo inducido 3-15 kj/mol Dipolo-dipolo inducido 2-10 kj/mol Dispersión (London) Dipolo instantáneodipolo inducido 0,05-40 kj/mol Page 4

5 SUSTANCIA MASA MOLAR m (D) PUNTO EBULLICIÓN (K) T eb (ºC) T eb (ºC) Propano, CH 3 CH 2 CH ,1 231 Acetaldehído, CH 3 CHO 44 2,7 294 Acetonitrilo, CH 3 CN 41 3,9 355 CH 3 F 34 1, CH 3 OH 32 1,7 338 F ,1 Cl ,6 Br I ,6 He 4-4,6 Ne 20-27,3 Ar 40-87,5 Kr ,9 Masa molar (g/mol) Masa molar (g/mol) En moléculas polares con MM similares, el punto de ebullición aumenta con el aumento en el momento dipolar Las moléculas más voluminosas (de mayor MM) son más polarizables, presentan fuerzas de London más intensas y tienen puntos de ebullición más altos El puente de H aumenta el punto de ebullición de las sustancias por encima del esperado teniendo en cuenta interacciones dipolo-dipolo y London Qué tipos de fuerzas intermoleculares existen entre los siguientes pares: a) HBr y H 2 S b) Cl 2 y CBr 4 c) I 2 y NO 3 - d) NH 3 y C 6 H 6 Señale el (los) tipo(s) de fuerzas intermoleculares que existen entre las moléculas (o unidades básicas) en cada una de las siguientes especies: a) LiF b) CH 4 c) SO 2 Page 5

6 De las siguientes especies: Br 2 Ne, HCl, HBr, N 2 a) Cuál presentará mayores fuerzas de dispersión intermoleculares? b) Cuál tendrá mayores fuerzas de atracción dipolo-dipolo? Propiedades de los líquidos DIFUSIÓN Tiene lugar tanto en líquidos como en gases. Es la mezcla espontánea del material como resultado del movimiento aleatorio de las moléculas. Ordene las siguientes sustancias por su punto de ebullición creciente: BaCl 2, CO, HF, Ne, H 2 VISCOSIDAD Resistencia al flujo CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH CH 2 OH OH CH 2 CH CH 2 OH OH OH Aumento de viscosidad FUERZAS INTERPARTICULARES EN LA SUPERFICIE Y EL INTERIOR DE LOS LÍQUIDOS Superficie Interior Aumenta con el incremento de la atracción intermolecular. También los líquidos compuestos por moléculas largas y flexibles pueden entrelazarse aumentando la viscosidad; ej el aceite de los motores. Fuerza neta hacia el interior Fuerzas iguales en todas las direcciones La viscosidad de los líquidos disminuye con la temperatura Page 6

7 TENSIÓN SUPERFICIAL No se hunden TENSIÓN SUPERFICIAL Es la energía requerida para aumentar el área superficial de un líquido en una unidad de área Agua 0,0729 J/m 2 a 20ºC Mercurio 0,46 J/m 2 a 20ºC MENISCO FUERZAS DE COHESIÓN: La atracción entre moléculas de una sustancia FUERZAS ADHESIVAS: La Atracción entre moléculas de diferentes sustancias ACCIÓN CAPILAR Es la competencia entre las fuerzas de cohesión y adhesivas hasta que se equilibren con la fuerza de gravedad Agua F. de cohesión < adhesivas Ascenso capilar Mercurio F. de cohesión > adhesivas Descenso capilar Agua F. de cohesión < adhesivas Menisco cóncavo Mercurio F. de cohesión > adhesivas Menisco convexo Page 7

8 ACCIÓN CAPILAR Es la competencia entre las fuerzas de cohesión y adhesivas hasta que se equilibren con la fuerza de gravedad CAMBIOS DE FASE En cada cambio de fase hay una cantidad de calor involucrada El movimiento ascendente del agua sobre un trozo de papel depende de los enlaces H entre H 2 O y grupos OH de la celulosa en el papel DH fus DH subl Evaporador Celulosa DH vap Condensador Capilar Compresor CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA F Fusión Ebullición Calor agregado EJERCICIO DE APLICACIÓN AL CÁLCULO DE CANTIDAD DE CALOR A P = CTE (repaso) Calcule el cambio de entalpía (a) para la conversión de 1,00 mol de hielo a -25ºC en vapor de agua a 125ºC, a una presión constante de 1 atm, y (b) para la conversión 1,00 mol de vapor de agua a 125ºC en hielo a -25ºC? Datos: C e (hielo)= 2,09 J/g-K, C e (agua líquida)= 4,18 J/g-K, C e (vapor de agua) = 1,84 J/g-K, ΔH fus (H 2 O)= 6,01 kj/mol, ΔH vap (H 2 O)= 40,67 kj/mol ΔH = C e (hielo) (J/g-K) m (g) (T f - T i ) (K) + ΔH fus (J/mol) + C e (agua líq.) (J/g-K) m (g) (T f - T i ) (K) + ΔH vap (J/mol) + C e (vapor) (J/g-K) m (g) (T f - T i ) (K) = = 2,09 (J/g-K) x 1 mol x 18 (g/mol) x ( ) K + 1 mol x 6010 J/mol + 4,18 (J/g-K) x 18 g x ( ) K + 1 mol x J/mol + 1,84 J/g-K x 18 g ( ) K = Sólido a líquido: q > 0 y DH > 0 Líquido a sólido: q > 0 y DH > 0 (a) ΔH = 55,97 kj (b) ΔH = -55,97 kj Page 8

9 PRESIÓN DE VAPOR La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por su vapor cuando los estados líquido y vapor están en equilibrio dinámico. Escape de moléculas desde la superficie del líquido Al aumentar el número de moléculas en fase vapor, comienzan a volver al líquido En el equilibrio, la frecuencia con que las moléculas pasan de una fase a otra es la misma Presión de Vapor y punto de ebullición presión de vapor (Equilibrio) La presión de un vapor en equilibrio con un líquido. Depende de : -Las fuerzas interparticulares en el líquido. -temperatura. Es independiente de: -El volumen del líquido o del vapor -El área superficial del líquido. Incremento de la presión de vapor con T Los líquidos más VOLÁTILES (que se evaporan más fácilmente) tienen mayor presión de vapor (fuerzas interparticulares más débiles). La nafta es más volátil que el aceite de motor. El PUNTO DE EBULLICIÓN es la temperatura a la que la presión del vapor del líquido es igual a la presión externa. A 1 atm = PUNTO NORMAL DE EBULLICIÓN Evaporación Burbujas Ebullición Page 9

10 Variación del punto de ebullición con la P externa ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON Relación entre la presión de vapor de un líquido y la temperatura Ln(P v ) (mbar) En la cima de una montaña, la presión atmosférica es menor. Y la temperatura de ebullición del agua son menores. Es más lento cocinar un huevo en la altura La presión en una olla a presión es aprox. 2 atm. Los alimentos se cocinan a mayor temperatura de ebullición (aprox. 120ºC). La cocción es más rápida Etanol Y = -3773x + 18,7 Pendiente = -DH vap /R DH vap = - pendiente x R =-(-3773 K)(8,314 J mol -1 K -1 ) = 31,4 kj/mol T -1 (K -1 ) ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON Estimación de la presión de vapor a otra temperatura cuando se conoce la entalpía de vaporización DHVAP ln P1 RT Aparato para 1 medir presión de vapor DHVAP ln P2 RT ln P1 ln P2 DH R VAP 2 c c T 2 T1 T2T1 T fus a la presión P DIAGRAMAS DE FASES Curvas de presión de vapor T eb a la presión P Page 10

11 P c sólido región de fluido supercrítico DIAGRAMA DE FASES DEL CO 2 presión líquido gas punto Crítico Curva pto. fusión: Pendiente positiva Como P PT > 1 atm punto Triple Sublima temperatura T c Punto Triple : punto en el cual las tres fases están en equilibrio (P y T fijos) Punto crítico: final de la curva de presión de vapor. En este punto temperatura Critica, T c y presión Critica, P c A temperaturas mayores que T c, es imposible licuar un gas, independientemente de la presión que se aplique CO 2 (s): hielo seco efectos de humo y niebla DIAGRAMA DE FASES DEL H 2 O ISOTERMA DE ANDREWS Curva de punto de fusión: pendiente negativa punto Triple: 0.01 ºC y 0,006 atm T c = 374ºC, P c = 218 atm Isoterma gas ideal Page 11

12 P (mb) COMPRESIÓN ISOTÉRMICA DEL H 2 O 221,000 Liquid C Líquido y Vapor Vapor Tc = 374ºC Solid T Solido y Vapor T Tt = 0ºC V Page 12