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ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA
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Estados de agregación de la materia
• Introducción• Leyes de los gases• Ecuación de estado de los gases ideales• Ley de Dalton de las presiones parciales• Teoría cinético-molecular• Gases reales• Atracciones intermoleculares• Estado líquido• Estado sólido• Diagramas de fases (P-T)
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Estados físicos de la materia
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Cambios de estado
Curva de enfriamiento para la conversión de agua vapor a hielo
Punto de fusión
Punto de ebullición
equilibrio
equilibrio
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Características físicas de los gases• Se expanden hasta llenar el recipiente que los contiene.
• Son muy compresibles (su volumen disminuye muyfácilmente).
• Forma mezclas homogéneas unos con otros sin importarlas identidades ni las proporciones relativas de los gases componentes.
• Tienen densidades mucho más pequeñas que los liquidos y los sólidos.
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Elementos que existen como gasesa 25 ºC y 1 atmósfera
Un gas es una sustancia que normalmente se halla en estadogaseoso.
Un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que eslíquida o sólida a T y P normales.
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No hay una regla simple que nos ayude a determinar si cierto compuesto molecular es un gas en c.n.
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Leyes de los gases
• Ecuación de estadoV = f (n, P, T)
En sólidos y líquidos la ecuación de estado es muy complicada y, además, distinta para cada sustancia.
En gases es una ecuación sencilla y válida para todos ellos.
Leyes de los gases
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ncteV ×=
2
2
1
1
nV
nV =
“A temperatura y presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles del gas presente”.
Leyes de los gases: Ley de Avogadro
Relación entre la masa y el volumen de un gas
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Volumen molar normal. Hipótesis de Avogadro
Volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas.
Volumen molar normal , es el volumen ocupado por un mol de gas a presión y temperatura normal y tiene un valor de 22,4 L constante para todos los gases.
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Leyes de los gases: Ley de Boyle
Relación entre el volumen y la presión de un gas
Cuando aumenta la presión, el volumen
disminuye
“Para una masa de gas constante y temperatura constanteel volumen es inversamente proporcional a su presión”
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Ley de Boyle
P1
cteV ×= ctePV = 2211 VPVP =
Baja presiónAlta presión
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Leyes de los gases: Ley de Charles & Gay-Lussac’s
Relación entre el volumen y la temperatura de un gas
“Para una masa de gas constante y presión constanteel volumen se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría”.
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Ley de Charles & Gay-Lussac’s
TcteV ×=2
2
1
1
TV
TV =
T (K) = t (ºC) + 273,15
La temperature debeestar en grados Kelvin
cteTV =
Baja presión
Alta presión
T > Tcondensación
En estadolíquido
Cero absoluto
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Ecuación del gas ideal
Ley de Charles: V α T (n, P constantes)
Ley de Avogadro: V α n (P, T constantes)
Ley de Boyle: V α (n, T constantes)1P
V α nT
P
V = constant x = RnT
P
nT
P
PV = nRT
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Ecuación del gas idealPV = nRT
R = PV
nT=
1atm x 22.414L
1mol x 273.15K=
0.0821atm*L
mol*K
R = 0,08206 L atm/mol K== 1,987 cal /mol K== 8,314 J /mol K= = 8,314 × 103 g m2/s2mol K== 8,314 m3 Pa /mol K== 62,36 L torr /mol K
R es la constante universal de los gases
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Mezclas de gases. Presiones parcialesLey de Dalton
V y T son constantes
P1Ptotal = P1 + P2P2
“La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviera solo”.
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Mezclas de gases. Presiones parcialesPara dos gases, A y B, contenidos en un volumen V.
PA = nART
V
PB = nBRT
V
PT = PA + PB =
XA = nA
nA + nB
XB = nB
nA + nB
PA/ PT = nA /nT
PB/ PT = nB /nT
(nA+nB)RTV
nARTV
nBRTV
+ =
Pi = Xi PT
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Teoría cinética-molecular
Nν...νν
2k
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212 +++=
__
u__2m
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ε u=u2: velocidad cuadrática mediam: masa de la moléculaN: número de moléculas
Puesto que el volumen de las partículas del gas es insignificante en comparación con el volumen total en el que está contenido, laspartículas de gas consideramos que tienen masa pero no volumen.
Postulado 1: Volumen de las partículas
Las partículas del gas están en continuo movimiento aleatorio que se desplazan en línea recta hasta que chocan.
Postulado 2: Movimiento de las partículas
Las colisiones son elásticas y por tanto la energía cinética de laspartículas es constante. La energía cinética promedio de laspartículas es proporcional a la temperatura absoluta. A unatemperatura dada, las partículas de todos los gases tienen la mismaenergía cinética promedio.
Postulado 3: Colisiones entre partículas
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Velocidades molecularesVelocidad y temperatura
Distribución de velocidades según Maxwell para lasmoléculas de N2 a tres temperaturas diferentes
A bajas temperaturas las mayoría de las moléculasde un gas presentan velocidades próximas a la velocidad media del gas
A altas temperaturas una alta proporción de lasmoléculas presentan velocidades que difierenmucho de la velocidad media
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Velocidades molecularesVelocidad y masa molecular
Distribución de velocidades según Maxwell para tresgases a la misma tempetatura
Cuanto mayor es la masa molecular, más estrecho esel rango de velocidades
Las moléculas más ligeras se muevenmás rápido, en promedio
M3RT=u
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Gases reales.Desviaciones respecto al comportamiento ideal.
NH317 g/mol
HCl36 g/mol
Fuerzas atractivas
Presiones elevadas: grandes desviaciones
Para 1 mol de gas ideal
PV = nRT n = PVRT
= 1.0
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Gases reales.Desviaciones respecto al comportamiento ideal.
1 mol de N2
Al ↑ la temperatura →comportamiento ideal
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Gases reales.Ecuación de Van der Waals.
( ) nRTnbVV
anP 2
2
=−
+
Corrección por el volumen de las moléculas
Corrección por las atracciones moléculares
Atracciones intermoleculares
Suavizan
el impacto
2
2
realideal Van
PP +=
Gas a(L2-atm/mol2) b(L/mol)He 0.034 0.0237Ne 0.211 0.0171Ar 1.35 0.0322Kr 2.32 0.0398Xe 4.19 0.0511H2 0.244 0.0266N2 1.39 0.0391O2 6.49 0.0318Cl2 3.59 0.0562CO2 2.25 0.0428NH3 4.17 0.0371H2O 5.46 0.0305
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Atracciones intermoleculares
• Interacciones ion-ion• Interacciones dipolo-dipolo• Enlace de hidrógeno
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Propiedades de los líquidosViscosidad es la resistencia a fluir que presenta un líquido
Fuerzasintermoleculares
fuertes
elevadaviscosidad
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Propiedades de los líquidosViscosidad del agua a variastemperaturas
Temperature ( 0C)Viscosity (N*s/m2)*
20
40
60
80
1.00x10-3
0.65x10-3
0.47x10-3
0.35x10-3
La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura (ºC)
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Propiedades de los líquidos
Base molecular de la tension superficial
Tension superficial es la cantidad de energía requeridapara aumentar el área de un líquido en una unidad de área.
Fuerzasintermoleculares
fuertes
elevadatensión
superficialLas moléculas interiores experimentan atracciones iguales en todas direcciones
Las moléculas de la superficie experimentan una fuerza neta hacia adentro
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Propiedades de los líquidosTensión superficial y fuerzas entre partículas
Sustancia Fórmula
Tensión superficial
(J/m2) at 200C Fuerzas principales
eter dietílico
etanol
butanol
agua
mercurio
dipolo-dipolo; dispersión
enlace H
enlace H; dispersión
enlace H
enlace metálico
1,7x10-2
2,3x10-2
2,5x10-2
7,3x10-2
48x10-2
CH3CH2OCH2CH3
CH3CH2OH
CH3CH2CH2CH2OH
H2O
Hg
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Propiedades de los líquidosFuerzas de cohesión: son las fuerzas intermoleculares que unenmoléculas similares unas a otras.
Fuerzas de adhesión: son las fuerzas intermoleculares que unenuna sustancia a una superficie.
Adhesión
Cohesión
meniscoFadhesión > Fcohesión
Fcohesión >> Fadhesión
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Propiedades de los líquidos
fuerzasadhesivas
fuerzascohesivas
fuertes
agua mercurio
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Equilibrio líquido-vapor. Presión de vapor
Velocidad de condensación
Presión ejercida por el vapor cuando los estados líquido y gaseoso están en equilibrio dinámico
Pre
sión
de
vapo
r (T
con
stan
te)
B El número de moléculas que dejan el líquido es igual al número de moléculas que regresan a él.
Velocidad de evaporización
Vvap> Vcond Vvap= Vcond
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Presión de vapor. Volatilidad
Energía cinética
Núm
ero
de m
oléc
ulas
E1 E2
Energía cinética necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares en el líquido
Número de moléculas con velocidad suficiente para pasar al vapor a T1 y T2
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Presión de vapor. Aparato de medida
Pgas=Presión de vapor deequilibrio
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Punto de ebullición: Temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión exterior.
Punto de ebullición normal : Punto de ebullición de un líquido a una presión de 1 atm.
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Calor molar de vaporización (∆Hvap) es la energía requeridapara vaporizar 1 mol de un líquido.
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Calor molar de vaporización (∆Hvap) es la energía requeridapara vaporizar 1 mol de un líquido.
ln P = -∆Hvap
RT+ C
Ecuación de Clausius-ClapeyronP = (equilibrium) vapor pressure
T = temperature (K)
R = gas constant (8.314 J/K•mol)
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Calor molar de vaporización y punto de ebullición
mol)85J/(Keb
T
ovap∆H
⋅≈
Regla de Trouton: Para líquidos en los que no intervienenenlaces de hidrógeno
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Sólido cristalino tiene los átomos (iones o moléculas) agrupados ordenadamente según leyes geométricas determinadas y guardando sus posiciones ciertas relaciones de simetría.
Regular y repetida Anisótropos Definido Fragmentos de
caras planas GrandeCristalino
Sólido amorfo carecen de un ordenamiento definido y de un orden repetido.
Al azar Isótropos Ablandamiento gradual
Fragmento de caras no planas MenorAmorfo
Distribución tridimensional
Variación propiedades
físicas
Puntode fusión Ruptura EstabilidadSólido
Estado sólido
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Tipos de cristales.Iónicos (NaCI, CaBr, K2SO4, sales típicas
...)Puntos reticulares ocupados por cationes y aniones• Se mantienen unidos mediante fuerzas electrostáticas• Duros, quebradizos, puntos de fusión altos (400 a 3.000 ºC)• Malos conductores de calor y electricidad
CsCl ZnS CaF2
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Tipos de cristales.Covalentes (SiO2, C(diamante), C(grafito) …)
diamante grafito
Átomoscarbono
Puntos reticulares ocupados por átomos• Unidos mediante enlaces covalentes• Muy duros, puntos de fusión altos (1.200 a 4.000 ºC)• Malos conductores térmicos y eléctricos
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Tipos de cristales.Metálicos
Puntos reticulares ocupados por átomos metálicos• Unidos por enlace metálico• De blando a muy duros, margen amplio de puntos de
fusión(- 39 a 3.400 ºC)• Buenos conductores térmicos y eléctricos
Núcleo metálico
Gas de electrones
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Sólidos amorfos: carecen de distribución tridimensional regular de átomos.Vidrio (SiO2, Na2O, B2O3, …): producto de fusión de materiales inorgánicos ópticamente transparente que se ha enfriado a un estado rígido sin cristalizar.
Cuarzo cristalino(SiO2)
Vidrio de cuarzono cristalino
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Cambios de faseUna fase es una parte homogénea del sistema en contacto con otra parte del sistema pero separada de ella por un límite biendefinido.
2 fases
1 fase sólida: hielo
1 fase líquida: agua
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Cambios de fase: cambio físico donde cambia el orden molecular
Paso a un estado menos ordenado
∆H > 0
Paso a un estado más ordenado
∆H < 0
Mayororden
Menororden
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Cambios de fase. Curvas de enfriamiento.
Curva de enfriamiento para la conversión de agua vapor a hielo
Punto de fusión
Punto de ebullición
equilibrio
equilibrio
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Diagrama de las fases. Ley de Clausius- Clapeyron
SólidoLíquido
Vapor
T
PPunto triple
VT
H
dT
dP
∆∆=
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Diagrama de fase del H2O
A
CB
D
vaporización
condensación
fusión
congelación
sublimación
deposición
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Diagrama de fase del CO2
A
C
B
D
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• Por:
Dr. J.A. Organero Gallegowww.quimicafisica.es
Universidad de Castilla la-ManchaUCLM