Las fuerzas intermoleculares y los líquidos y sólidos

Las fuerzas intermoleculares ylos líquidos y sólidos

Capítulo 11

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Una fase es una parte homogénea de un sistema en contacto con otras partes del mismo, pero separado de ellas por un límite bien definido. 2 fases

Fase sólida: hielo

Fase líquida: agua

11.1

Fuerzas intermoleculares

11.2

Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas.

Fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos en una molécula.

intermolecular contra intramolecular

• 41 kJ para evaporar 1 mol de agua (inter)

• 930 kJ para romper todos los enlaces O-H en 1 mol de agua (intra)

Por lo general, las fuerzas intermoleculares son mucho más débiles que las fuerzas intramoleculares.

“Medida” de fuerza intermolecular

punto de ebullición

punto de fundición

Hvap

Hfus

Hsub

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas dipolo-dipolo

Fuerzas de atracción entre moléculas polares

Orientación de moléculas polares en un sólido

11.2

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas ion-dipolo

Fuerzas de atracción entre un ion y una molécula polar

11.2

Interacción ion-dipolo

Fuerzas intermolecularesFuerzas de dispersión

Fuerzas de atracción que se generan como resultado de los dipolos temporales inducidos en átomos o moléculas

11.2

Interacción ion-dipolo inducido

Interacción dipolo-dipolo inducido

Dipolo inducido

Dipolo inducido

Catión

Dipolo

Fuerzas intermolecularesFuerzas de dispersión continua

11.2

Polarización es la facilidad con que la distribución del electrón en el átomo o molécula puede distorsionarse

La polarización aumenta con:

• mayor número de electrones

• más difusa la nube del electrón

Las fuerzas de dispersión normalmente aumentan con la masa molar

SO

O

¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares existe entre cada una de las moléculas siguientes?

HBrHBr es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo. Hay también fuerzas de dispersión entre las moléculas HBr.

CH4

CH4 es no polar: fuerzas de dispersión.

SO2

SO2 es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo. Hay también fuerzas de dispersión entre las moléculas SO2.

11.2

Fuerzas intermolecularesEnlace de hidrógeno

11.2

El enlace de hidrógeno es una interacción especial dipolo-dipolo entre ellos y el átomo de hidrógeno en un enlace polar N-H, O-H, o F-H y un átomo electronegativo de O, N, o F.

A H…B A H…Ao

A y B son N, O, o F

¿Por qué el enlace de hidrógeno se considera una interacción “especial” dipolo-dipolo?

Masa molar decreciente Punto de ebullición decreciente

11.2

Pu

nto

de

eb

ulli

ció

n

Grupo 6A

Grupo 7A

Grupo 5A

Grupo 4A

Periodo

Propiedades de los líquidos

Tensión superficial es la cantidad de energía necesaria para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área

Fuerza intermolecular

grande

Alta tensión

superficial 11.3

Propiedades de los líquidos

Cohesión es una atracción intermolecular entre moléculas semejantes

11.3

Adhesión es una atracción entre moléculas distintas

Adhesión

Cohesión

Propiedades de los líquidos

Viscosidad es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir

11.3

Fuerza intermolecular

alta

Alta viscosidad

Máxima densidad40C

El hielo es menos denso que el agua

Densidad del agua

11.3

El agua es una sustancia única

Temperatura

De

nsi

da

d (

g/m

L)

Estructura tridimensional del hielo

Un sólido cristalino posee un ordenamiento estricto y regular. En un sólido cristalino, los átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas (predecibles).

Un sólido amorfo no posee un ordenamiento bien definido ni un orden molecular repetido.

Una celda unitaria es la unidad estructural esencial repetida de un sólido cristalino.

Celda unitaria

Punto reticular

Celda unitaria en 3 dimensiones 11.4

En los puntos reticulares:

• Átomos

• Moléculas

• Iones

11.4

Los siete tipos de celdas unitarias

Cúbica simple Ortorrómbica Romboédrica

Monoclínica Triclínica

11.4

Los tres tipos de celdas cúbicas

Cúbica simple Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica centrada en las caras

11.4

Distribución de esferas idénticasen una celda cúbica simple

11.4

Distribución de esferas idénticasen un cubo centrado en el cuerpo

8 celdas unitarias lo comparten

2 celdas unitarias lo comparten 11.4

Un átomo del vértice y unátomo centrado en las caras

11.4

1 átomo/celda unitaria

(8 x 1/8 = 1)

2 átomos/celda unitaria

(8 x 1/8 + 1 = 2)

4 átomos/celda unitaria

(8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4)

Cúbica simple Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica centrada en las caras

11.4

Relación entre la longitud de la arista y el radio de los átomos de

tres diferentes celdas unitarias

Cuando la plata cristaliza forma celdas cúbicas centradas en las caras. La longitud de la arista de la celda unitaria es de 409 pm. Calcule la densidad de la plata. d =

mV

V = a3 = (409 pm)3 = 6.83 x 10-23 cm3

4 átomos/celda unitaria en una celda cúbica centrada en las caras

m = 4 Ag átomos107.9 gmole Ag

x1 mole Ag

6.022 x 1023 átomosx = 7.17 x 10-22 g

d = mV

7.17 x 10-22 g6.83 x 10-23 cm3

= = 10.5 g/cm3

11.4

11.5

Dispositivo para obtener un patrón

de difracción de rayos X de un cristal

Pantalla

Crital

Placa fotográficaHaz de rayos X

Tubo de rayos X

Distancia adicional = BC + CD =2d sen = n (Ecuación Bragg)11.5

Reflexión de rayos X por dos planos de átomos

Rayos incidentes Rayos reflejados

d sen d sen

Un cristal difracta los rayos X de longitud igual a 0.154 nm con un ángulo de 14.170. Suponiendo que n = 1, ¿cuál es la distancia (en pm) entre las capas del cristal?

n = 2d sen n = 1 = 14.170 = 0.154 nm = 154 pm

d =n

2sen=

1 x 154 pm

2 x sen14.17= 77.0 pm

11.5

Tipos de cristales

Cristales iónicos• Puntos reticulares ocupados por cationes y aniones• Se mantienen juntos por la atracción electrostática • Duro, quebradizo, punto de fusión alto • Mal conductor de calor y electricidad

CsCl ZnS CaF2

11.6

Tipos de cristales

Cristales covalentes• Puntos reticulares ocupados por átomos• Se mantienen juntos por enlace covalente• Duro, punto de fusión alto • Mal conductor de calor y electricidad

11.6diamante grafito

átomos decarbono

Tipos de cristales

Cristales moleculares• Puntos reticulares ocupados por moléculas• Se mantienen juntos por fuerzas intermoleculares• Suave, punto de fusión bajo• Mal conductor de calor y electricidad

11.6

Tipos de cristales

Cristales metálicos• Puntos reticulares ocupados por átomos metálicos• Se mantienen juntos por enlaces metálicos• Blando a duro, punto de fusión bajo a alto• Buen conductor de calor y electricidad

11.6

Sección transversal de un cristal metálico

núcleos ye- internos del cascarón

“mar” móvilde e-

Tipos de cristales

11.6

Un sólido amorfo no posee una distribución regular ni orden molecular de gran alcance.

Un vidrio es un producto de fusión de materiales inorgánicos ópticamente transparente que se ha enfriado a un estado rígido sin cristalizar.

Cuarzocristalino (SiO2)

Vidrio de cuarzono cristalino 11.7

Eva

pora

ción

Ordenmáximo

Orden menor

11.8C

onde

nsac

ión

T2 > T1

Cambios de fase

Líquido

Sólido

Te

mp

era

turaN

úm

ero

de

mo

lécu

las

Nú

me

ro d

e m

olé

cula

s

Energía cinética E

E1

El presión de vapor de equilibrio es la presión de vapor medida cuando hay un equilibrio dinámico entre la condensación y la evaporación.

H2O (l) H2O (g)

Velocidad decondensación

Velocidad deevaporación=

Equilibrio dinámico

11.8

Velocidad deevaporación

Equilibrio dinámicoestablecido

Velocidad decondensación

Tiempo

Ve

loci

da

d

Antes de laevaporación

Enequilibrio

11.8

Aparatos para medirla presión de vapor de un líquido

Vacío

Espaciovacío

Líquido Líquido

Calor molar de vaporización (Hvap) es la energía requerida para evaporar 1 mol de un líquido.

ln P = -Hvap

RT+ C

Ecuación Clausius-ClapeyronP = (equilibrio) presión de vapor

T = temperatura (K)

R = constante de gas (8.314 J/K•mol)

11.8

Presión de vapor contra temperatura

Temperatura °C

Pre

sió

n d

e v

ap

or

(atm

)

Éter dietílico Agua Mercurio

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor 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 1 atm.

11.8

La temperatura crítica (Tc) es un temperatura sobre la cual el gas no se puede licuar, no importa la magnitud de la presión aplicada.

La presión crítica (Pc) es la mínima presión que se debe aplicar para llevar a cabo la licuefacción a la temperatura crítica.

11.8

Fus

ión

11.8C

onge

laci

ón

H2O (s) H2O (l)

El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio.

Cambios de fase

Líquido

Sólido

Te

mp

era

tura

Calor molar de fusión (Hfus) es la energía necesaria para fundir un mol de un sólido.

11.8

11.8

Curva de calentamientoT

em

per

atu

ra

Tiempo

Líquido y vaporen equilibrio

Punto de ebullición

Líquido

Punto de fusión

Sólido y líquidoen equilibrio

Sólido

Sub

limac

ión

11.8

Dep

osic

ión

H2O (s) H2O (g)

Calor molar de sublimación (Hsub) es la energía necesaria para sublimar un mol de un sólido.

Hsub = Hfus + Hvap

(Ley de Hess)

Cambios de fases

Te

mp

era

tura

Sólido

Líquido

Un diagrama de fases resume las condiciones en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas.

Diagrama de fases del agua

11.8Temperatura

Pre

sió

n SólidoLíquido

11.8

Diagrama de fases del dióxido de carbono

Temperatura

Pre

sió

n

SólidoLíquido