Líquidos, Sólidos y Cambios de Fase

Energía y Movimiento

La energía interna de una molécula es proporcional a su temperatura absoluta y se transforma en energía cinética

Poca movilidad y rapidez

Mucha movilidad y rapidez

Las moléculas exhiben:

Tem

pera

tura Alta

Baja

Mayores fuerzas intermoleculares

En consecuencia:

Las Fuerzas Intermoleculares

(Fuerzas de van der Waals)

Fuerzas de dispersión (London) Originadas por el movimiento electrónico

(dipolos instantáneos) Débiles Mayores en las moléculas más grandes

+ - Fuerzas Dipolo-Dipolo Se presentan en moléculas polares Dependen de la geometría de la molécula, los

electrones libres y las diferencias de electronegatividad

+ -

Estado Líquido

Se difunden rápido y siempre porque tienen un camino libre medio muy largo

No tienen forma ni volumen definidos

Se difunden más lento y no todos los líquidos son mutuamente solubles entre sí

Retienen su volumen pero no su forma

Es un estado de orden intermedio entre el sólido y el gaseoso

Propiedades de los líquidos

Presenta resistencia a fluir No todas las moléculas presentan

igual atracción

Atraída igual

Fuerza que se debe superar para ampliar el área de la superficie

Dism

inuyen co

n a

um

ento

s de te

mpera

tura

Propiedades de los Líquidos

Además de las fuerzas intermoleculares en el seno de los líquidos (fuerzas de cohesión), existen interacciones entre las moléculas líquidas y las que forman las paredes del contenedor (fuerzas de adhesión)

Los líquidos exhiben una concavidad dentro de los recipientes cuyo diámetro es pequeño respecto a su altura

Adhesión < CohesiónMercurio

Adhesión > CohesiónAgua

Propiedades de los líquidos

La energía cinética de las moléculas de un líquido cambia constantemente debido a los choques intermoleculares La distribución en un momento dado se parece a:

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 0,1 0,2

Mayor Temperatura

Menor Temperatura

Límite para superar las fuerzas de atracción

g2Equilibrio

l2 BrBr

La Presión que ejerce el vapor que se encuentra en un sistema líquido-vapor en equilibrio se conoce como Presión de Vapor y es proporcional a la temperatura

RT

E

eBoltzmanndeFactor

Propiedades de los Líquidos

Punto de Ebullición: es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión externa La temperatura de ebullición de un líquido

permanece constante necesita energía vap

Si la presión externa es 1 atm se conoce como punto de ebullición normal

Punto de Fusión: es la temperatura a la cual el sólido y el líquido coexisten en equilibrio La temperatura de congelación de un

líquido permanece constante ceder energía fus

Si la presión externa es 1 atm se conoce como punto de congelación ó fusión normal

Curva de Calentamiento

Si registramos la temperatura cada cierto intervalo de tiempo al calentar un trozo de hielo hasta evaporarlo totalmente observaríamos esta gráfica:

80 [cal/g]540 [cal/g] para H2O

Curva de Calentamiento

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

0 5 10 15 20 25tiempo

Te

mp

era

tura

Sólido

Líquido

Gas

La temperatura de fusión no cambia

debido al calor latente de fusión

La temperatura de ebullición no cambia debido al calor

latente de ebullición

Cambios de Fase

EvaporaciónFusiónSublimación

CondensaciónSoldificaciónDeposición

Estos cambios se pueden representar para una sustancia pura en un Diagrama de Fases cuyos ejes serán P y T

Diagramas de Fase del H2O

Presión[atm]

218

374Temperatura [ºC]

6,03x10-3

0,01

1

Diagramas de Fase del CO2

Presión[atm]

72,8

31,0Temperatura [ºC]

5,11

-56,6

1

Diagramas de Fase:Superficie PvT

Los diagramas anteriores sólo representan 2 de las 4 variables que hemos empleado en el curso.

La alternativa sería representar una cantidad dada (usualmente expresada en moles) y determinar cada uno de los estados de equilibrio de fases en términos de P, v y T con un eje para cada una de las variables.

Equilibrio Líquido - Vapor La curva de equilibrio en el Diagrama PT es

no lineal, se puede linealizar usando logaritmos:

logP = b – m(1/T) La pendiente depende del factor de

Boltzmann: m=E/2.3R E, en este caso es el calor de vaporización.

La ordenada en el origen la determinamos usando dos puntos diferentes.

122

1 11

58,4log

TT

H

P

P vap Ecuación de Claussius-Clapeyron

Estado Sólido

Volumen y forma dados. Estructura definida. No son compresibles. Alta densidad. Bajo coeficiente de dilatación

térmica. Elevadas fuerzas de cohesión de

distinta naturaleza.

Tipos de Sólidos Amorfos

No tienen una forma específica ni una estructura interna estándar.

Cristalinos Los cristales se tipifican según la naturaleza

de la fuerza que los une: Moleculares, metálicos, iónicos y covalentes.

Están arreglados en formas regulares basadas en una representación esquemática ó patrón de ordenamiento, que se llama celda unitaria.

Tipos de Cristales

TIPO DE FUERZA

FORMA DE LAS PARTICULAS UNITARIAS

FUERZAS ENTRE LAS PARTICULAS PROPIEDADES EJEMPLOS

Molecular Átomos o moléculas Dispersión (London), fuerzas dipolo-dipolo, puentes de hidrógeno

Blandos, puntos de fusión de bajo a moderadamente altos, baja conductividad térmica y eléctrica

Neón, -249 ºCH2S, -86 ºCH2O, 0 ºCVinagre 17 ºC

Covalente Átomos conectados en una red de enlaces covalentes

Enlaces covalentes Muy duros, punto de fusión muy alto, baja conductividad térmica y eléctrica

Diamante, 3550 ºCCuarzo, 1610 ºC

Iónica Iones negativos y positivos Atracciones electrostáticas Duros y quebradizos, alto punto de fusión, baja conductividad térmica y eléctrica

Sales típicas: NaCl, 801 ºCCa(NO3)2 645 ºC

Metálica Átomos Enlaces metálicos Desde blandos hasta duros, punto de fusión desde bajo hasta alto, excelente conductividad térmica y eléctrica, maleables y dúctiles

Elementos metálicos:Hg, 39 ºCNa, 98 ºCW, 3410 ºC

Celdas Unitarias Paralelepípedo que por traslación de sí mismo genera

completamente la red cristalina, según la disposición de sus puntos reticulares son:

Primitivas o simples (P): sólo en los vértices. Centradas en la Cara (F): vértices y en el centro de cada cara. Centradas en el Cuerpo (I): vértices y uno en el interior de la

celda unitaria a distancia equidistante a todos los vértices. Centradas en la Base (C): vértices y en el centro en dos caras

opuestas. Forman sistemas axiales (cristalográficos)

dependiendo de los vectores que conforman los lados: Comparación de ángulos. Comparación de lados.

Sistemas Cristalográficos Sistema Cúbico: a = b = c = = = 90º Sistema Hexagonal: a = b c = = 90º = 120º Sistema Tetragonal: a = b c = = = 90º Sistema Romboédrico o Trigonal: a = b = c = =

90º Sistema Ortorrómbico: a b c = = = 90º Sistema Monoclínico: a b c = = 90º 90º Sistema Triclínico: a b c

Triclínico Monoclínico CúbicoHexagonalTetragonalOrtorrómbicoRomboédricoó Trigonal

Redes de Bravais

Conjunto infinito de puntos generado por las operaciones de traslación sobre la celda unitaria.

No todas las combinaciones Sistema vs. Centro son posibles (sólo 14)

P F I C

Cúbico Sí Sí Sí  

Hexagonal Sí      

Tetragonal Sí   Sí  

Trigonal Sí      

Ortorrómbico Sí Sí Sí Sí

Monoclínico Sí     Sí

Triclínico SÍ      

Disposición de los Puntos Reticulares

Detallemos al Sistema Ortorrómbico que tiene las cuatro disposiciones:

IFCP

Polimorfismo Propiedad de los materiales de existir en

más de un tipo de red espacial en el estado sólido. Si el cambio en estructura es reversible, el cambio polimórfico se conoce como Alotropía.

El hierro es el ejemplo más conocido de un metal que presenta alotropía. Cuando el hierro cristaliza a 2800°F es cúbico

centrado en el cuerpo (Fe ) a 2554°F la estructura cambia a cúbica centrada en la cara (Fe ) y a 1670°F vuelve a transformarse a en cúbica centrada en el cuerpo (Fe )

Cristalización Transición del estado líquido al sólido (si este

forma cristales) que ocurre en dos etapas: Formación de núcleos Crecimiento del cristal.

Al disminuir la temperatura se favorece la formación de núcleos y el crecimiento de cristales a partir de ellos, ya que el movimiento de los átomos disminuye.

La rapidez de enfriamiento es el factor más importante para determinar la rapidez de nucleación, a más velocidad cristales más pequeños.