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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

22

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