ESTADOS DE AGREGACIN DE LA MATERIA

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Estados de agregacin de la materia Introduccin Leyes de los gases Ecuacin de estado de los gases ideales Ley de Dalton de las presiones parciales Teora cintico-molecular Gases reales Atracciones intermoleculares Estado lquido Estado slido Diagramas de fases (P-T)

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Estados fsicos de la materia

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Cambios de estado

equilibrio Punto de ebullicin

equilibrio Punto de fusin

Curva de enfriamiento para la conversin de agua vapor a hielo

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Caractersticas fsicas de los gases Se expanden hasta llenar el recipiente que los contiene. Son muy compresibles (su volumen disminuye muy fcilmente). Forma mezclas homogneas unos con otros sin importar las identidades ni las proporciones relativas de los gases componentes. Tienen densidades mucho ms pequeas que los liquidos y los slidos.

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Elementos que existen como gases a 25 C y 1 atmsfera

Un gas es una sustancia que normalmente se halla en estado gaseoso. Un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que es lquida o slida a T y P normales.6

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 Ecuacin de estado V = f (n, P, T)En slidos y lquidos la ecuacin de estado es muy complicada y, adems, distinta para cada sustancia. En gases es una ecuacin sencilla y vlida para todos ellos. Leyes de los gases

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Leyes de los gases: Ley de AvogadroRelacin entre la masa y el volumen de un gas

V = cte nV1 V2 = n1 n2A temperatura y presin constante, el volumen de un gas es directamente proporcional al nmero de moles del gas presente.9

Volumen molar normal. Hiptesis de Avogadro

Volmenes iguales de gases a la misma temperatura y presin contienen el mismo nmero de molculas. Volumen molar normal, es el volumen ocupado por un mol de gas a presin 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 BoyleRelacin entre el volumen y la presin de un gas

Cuando aumenta la presin, el volumen disminuye

Para una masa de gas constante y temperatura constante el volumen es inversamente proporcional a su presin11

Ley de Boyle

Alta presin

Baja presin

1 V = cte P

PV = cte

P1V1 = P2 V212

Leyes de los gases: Ley de Charles & GayLussacsRelacin entre el volumen y la temperatura de un gas

Para una masa de gas constante y presin constante el volumen se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfra.13

En estado lquido

Ley de Charles & Gay-LussacsT > Tcondensacin

La temperature debe estar en grados KelvinBaja presin

T (K) = t (C) + 273,15

Alta presin

Cero absoluto

V = cte T

V = cte T

V1 V2 = T1 T214

Ecuacin del gas idealLey de Boyle: Ley de Charles: V 1 P VT(n, T constantes) (n, P constantes) (P, T constantes)

Ley de Avogadro: V n

nT V P

nT nT V = constant x =R P P

PV = nRT

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Ecuacin del gas idealPV = nRTPV R= nT = 1atm x 22.414L 1mol x 273.15K = 0.0821atm*L mol*K

R es la constante universal de los gases 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

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Mezclas de gases. Presiones parciales Ley de DaltonV y T son constantes

Ptotal = P1 + P2 P1 P2 La presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercera si estuviera solo.17

Mezclas de gases. Presiones parcialesPara dos gases, A y B, contenidos en un volumen V.

n RT PA = A V nBRT PB = V

nA XA = nA + nB nB XB = nA + nB

nART nBRT (nA+nB)RT PT = PA + PB = + = V V V PA/ PT = nA /nT PB/ PT = nB /nT Pi = Xi PT

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Teora cintica-molecularPostulado 1: Volumen de las partculas Puesto que el volumen de las partculas del gas es insignificante en comparacin con el volumen total en el que est contenido, las partculas de gas consideramos que tienen masa pero no volumen. Postulado 2: Movimiento de las partculas Las partculas del gas estn en continuo movimiento aleatorio que se desplazan en lnea recta hasta que chocan. Postulado 3: Colisiones entre partculas Las colisiones son elsticas y por tanto la energa cintica de las partculas es constante. La energa cintica promedio de las partculas es proporcional a la temperatura absoluta. A una temperatura dada, las partculas de todos los gases tienen la misma energa cintica promedio.

1 __ = mu2 2

2 2 1 + 2 + ... + k 2 velocidad cuadrtica media u = N m: masa de la molcula

u2:

__ 2

N: nmero de molculas

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Velocidades molecularesVelocidad y temperaturaA bajas temperaturas las mayora de las molculas de un gas presentan velocidades prximas a la velocidad media del gas

A altas temperaturas una alta proporcin de las molculas presentan velocidades que difieren mucho de la velocidad media

Distribucin de velocidades segn Maxwell para las molculas de N2 a tres temperaturas diferentes

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Velocidades molecularesVelocidad y masa molecularCuanto mayor es la masa molecular, ms estrecho es el rango de velocidades

Las molculas ms ligeras se mueven ms rpido, en promedio

Distribucin de velocidades segn Maxwell para tres gases a la misma tempetatura

3RT u= M

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Gases reales. Desviaciones respecto al comportamiento ideal.Para 1 mol de gas ideal PV = 1.0 n= PV = nRT RT

Fuerzas atractivas

NH3 Presiones elevadas: grandes desviaciones HCl 17 g/mol 36 g/mol

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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.Ecuacin de Van der Waals.

n a P + 2 (V nb ) = nRT V Correccin por el volumen de las molculas Gas He Ne Ar Kr Xe H2 N2 O2 Cl2 CO2 NH3 H2O a(L2-atm/mol2) 0.034 0.211 1.35 2.32 4.19 0.244 1.39 6.49 3.59 2.25 4.17 5.46 b(L/mol) 0.0237 0.0171 0.0322 0.0398 0.0511 0.0266 0.0391 0.0318 0.0562 0.0428 0.0371 0.0305

Correccin por las atracciones molculares 2

Atracciones intermoleculares

Suavizan el impacto

Pideal

n 2a = Preal + 2 V

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Atracciones intermoleculares Interacciones ion-ion Interacciones dipolo-dipolo Enlace de hidrgeno

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Propiedades de los lquidosViscosidad es la resistencia a fluir que presenta un lquido

Fuerzas intermoleculares fuertes

elevada viscosidad

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Propiedades de los lquidosViscosidad del agua a varias temperaturasTemperature (0C) 20 40 60 80 Viscosity (N*s/m2)* 1.00x10-3 0.65x10-3 0.47x10-3 0.35x10-3

La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura (C)

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Propiedades de los lquidosTension superficial es la cantidad de energa requerida para aumentar el rea de un lquido en una unidad de rea.Las molculas de la superficie experimentan una fuerza neta hacia adentro

Fuerzas intermoleculares fuertes

Las molculas interiores experimentan atracciones iguales en todas direcciones

elevada tensin superficial

Base molecular de la tension superficial

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Propiedades de los lquidosTensin superficial y fuerzas entre partculasTensin superficial Sustancia eter dietlico etanol butanol agua mercurio Frmula CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2OH CH3CH2CH2CH2OH H2O Hg (J/m2) at 200C 1,7x10-2 2,3x10-2 2,5x10-2 7,3x10-2 48x10-2 Fuerzas principales dipolo-dipolo; dispersin enlace H enlace H; dispersin enlace H enlace metlico

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Propiedades de los lquidosFuerzas de cohesin: son las fuerzas intermoleculares que unen molculas similares unas a otras. Fuerzas de adhesin: son las fuerzas intermoleculares que unen una sustancia a una superficie. AdhesinFadhesin > Fcohesin

menisco

CohesinFcohesin >> Fadhesin

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Propiedades de los lquidos

fuerzas adhesivas

fuerzas cohesivas fuertes

agua

mercurio

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Equilibrio lquido-vapor. Presin de vapor

B El nmero de molculas que dejan el lquido es igual al nmero de molculas que regresan a l.Presin de vapor (T constante)

Vvap> Vcond

Vvap= Vcond

Velocidad de evaporizacin

Velocidad de condensacin

Presin ejercida por el vapor cuando los estados lquido y gaseoso estn en equilibrio dinmico

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Presin de vapor. Volatilidad

Nmero de molculas

Nmero de molculas con velocidad suficiente para pasar al vapor a T1 y T2

E1 E2 Energa cintica

Energa cintica necesaria para vencer las fuerzas intermoleculares en el lquido

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Presin de vapor. Aparato de medidaPgas=Presin de vapor de equilibrio

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Punto de ebullicin: Temperatura a la cual la presin de vapor del lquido es igual a la presin exterior.

Punto de ebullicin normal: Punto de ebullicin de un lquido a una presin de 1 atm.

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Calor molar de vaporizacin (Hvap) es la energa requerida para vaporizar 1 mol de un lquido.

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Calor molar de vaporizacin (Hvap) es la energa requerida para vaporizar 1 mol de un lquido. Ecuacin de Clausius-ClapeyronP = (equilibrium) vapor pressure

ln P = -

Hvap RT

+C

T = temperature (K) R = gas constant (8.314 J/Kmol)

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Calor molar de vaporizacin y punto de ebullicin

Regla de Trouton: Para lquidos en los que no intervienen enlaces de hidrgeno o Hvap 85J/(K mol) T eb

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Estado slidoSlido cristalino tiene los tomos (iones o molculas) agrupados ordenadamente segn leyes geomtricas determinadas y guardando sus posiciones ciertas relaciones de simetra. Slido amorfo carecen de un ordenamiento definido y de un orden repetido.Slido Distribucin tridimensional Regular y repetida Variacin propiedades fsicas Anistropos Punto de fusin Ruptura Estabilidad

Cristalino

Definido

Fragmentos de caras planas

Grande

Amorfo

Al azar

Istropos

Ablandamiento Fragmento de gradual caras no planas

Menor

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Tipos de cristales. Inicos (NaCI, CaBr, K2SO4, sales tpicas ...)

Puntos reticulares ocupados por cationes y aniones Se mantienen unidos mediante fuerzas electrostticas Duros, quebradizos, puntos de fusin altos (400 a 3.000 C) Malos conductores de calor y electricidad

CsCl

ZnS

CaF2

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Tipos de cristales. Covalentes (SiO2, C(diamante), C(grafito) )Puntos reticulares ocupados por tomos Unidos mediante enlaces covalentes Muy duros, puntos de fusin altos (1.200 a 4.000 C) Malos conductores trmicos y elctricostomos carbono

diamante

grafito

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Tipos de cristales. MetlicosPuntos reticulares ocupados por tomos metlicos Unidos por enlace metlico De blando a muy duros, margen amplio de puntos de fusin(- 39 a 3.400 C) Buenos conductores trmicos y elctricos Ncleo metlico

Gas de electrones

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Slidos amorfos: carecen de distribucin tridimensional regular de tomos. Vidrio (SiO2, Na2O, B2O3, ): producto de fusin de materiales inorgnicos pticamente transparente que se ha enfriado a un estado rgido sin cristalizar.

Cuarzo cristalino (SiO2)

Vidrio de cuarzo no cristalino

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Cambios de faseUna fase es una parte homognea del sistema en contacto con otra parte del sistema pero separada de ella por un lmite bien definido.

2 fases 1 fase slida: hielo 1 fase lquida: agua

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Cambios de fase: cambio fsico donde Menor cambia el orden molecular Paso a un estado Paso a un estadomenos ordenado H > 0 ms ordenado H < 0

orden

Mayor orden

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Cambios de fase. Curvas de enfriamiento.

equilibrio Punto de ebullicin

equilibrio Punto de fusin

Curva de enfriamiento para la conversin de agua vapor a hielo

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Diagrama de las fases. Ley de Clausius- Clapeyron

PPunto triple Slido Lquido

Vapor

dP H = dT TVT

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Diagrama de fase del H2OB C

fusin congelacin

vaporizacin condensacin

Asublimacin

D

deposicin

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Diagrama de fase del CO2B C

A D

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Por: Dr. J.A. Organero Gallego www.quimicafisica.es Universidad de Castilla la-Mancha UCLM

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