JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
FUNDAMENTOS DE QUMICA
Tema X: LQUIDOS, SLIDOS Y
FUERZAS INTERMOLECULARES
1. La teora cintica molecular de lquidos y slidos
2. Fuerzas intermoleculares
3. Propiedades de los cristales
4. Estructura cristalina
5. Difraccin de rayos X por los cristales
6. Tipos de cristales
7. Slidos amorfos
8. Cambios de fase
9. Diagramas de fase
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
1. La teora cintica molecular de lquidos y slidos Las distancias entre las molculas gaseosas son tan grandes (comparadas con su tamao) que, a las
temperaturas y presiones ordinarias (es decir. 25C y 1 atm), no hay una interaccin apreciable entre ellas. Debido a que en los gases hay mucho espacio vaco, es decir, espacio no ocupado por molculas, los gases se
comprimen con facilidad. Las fuerzas dbiles que operan entre las molculas de los gases tambin les permiten
expandirse y llenar el volumen del recipiente que los contiene. Asimismo, el enorme espacio vaco entre los
gases explica su baja densidad en condiciones normales.
1. La teora cintica molecular de lquidos y slidos
Los lquidos y los slidos son otra historia. La diferencia principal entre los estados condensados (lquidos y
slidos) y el estado gaseoso estriba en la distancia entre las molculas.
En los lquidos, las molculas estn tan juntas que hay muy poco espacio vaco; por ello son ms difciles de
comprimir y, en condiciones normales, son mucho ms densos que los gases.
Las molculas de los lquidos se mantienen juntas por uno o ms tipos de fuerzas de atraccin, las cuales se
estudiaran en la siguiente seccin. En este caso, las molculas no escapan de las fuerzas de atraccin y por ello
los lquidos tienen tambin un volumen definido. Sin embargo, como las molculas se mueven con libertad, un
liquido puede fluir, derramarse y adoptar la forma del recipiente que lo contiene.
En un slido, las molculas ocupan una posicin rgida y prcticamente no tienen libertad para moverse. Muchos
slidos tienen como caracterstica un ordenamiento de largo alcance, es decir, sus molculas estn distribuidas
en una configuracin regular tridimensional.
En un slido hay an menos espacio vaco que en un lquido. Por ello, los slidos son casi incompresibles y su
forma y volumen estn bien definidos.
Con algunas excepciones (como la del agua, que es la ms importante), la densidad de la forma slida es mayor
que la de la forma liquida para una sustancia dada. En una sustancia dada suelen coexistir los dos estados. EI
ejemplo ms comn es el de un cubo de hielo (slido) flotando en un vaso de agua (lquido).
Las fuerzas intermoleculares son fuerzas de atraccin entre las molculas.
Ejercen mucha influencia en las fases condensadas de la materia, es decir, en los lquidos y los slidos. A medida
que baja la temperatura de un gas disminuye la energa cintica promedio de sus molculas. As, a una
temperatura suficientemente baja, las molculas ya no tienen la energa necesaria para liberarse de la atraccin
de las molculas vecinas (fuerzas intermoleculares). En este momento, las molculas se agregan y forman
pequeas gotas de lquido. Esta transicin de la fase gaseosa a la fase liquida se conoce como condensacin.
A diferencia de las fuerzas intermoleculares, las fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los tomos de una
molcula. (En el enlace qumico, que se estudio en los temas anteriores, participan fuerzas intramoleculares.)
Estas fuerzas estabilizan a las molculas individuales, en tanto que las fuerzas intermoleculares son las
principales responsables de las propiedades microscpicas de la materia (por ejemplo, punto de fusin y punto
de ebullicin).
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
2. Fuerzas intermoleculares
Las fuerzas intermoleculares suelen ser ms dbiles que las intramoleculares; por ello, se necesita menos
energa para evaporar un lquido que para romper los enlaces de sus molculas.
Por ejemplo, para evaporar 1 mol de agua en su punto de ebullicin son suficientes alrededor de 41 kJ de
energa; en cambio, para romper los dos enlaces O-H en 1 mol de molculas de agua es necesario aplicar unos
930 kJ de energa.
En general, los puntos de ebullicin de las sustancias reflejan la magnitud de las fuerzas intermoleculares que
actan entre las molculas. En el punto de ebullicin se debe suministrar suficiente energa para vencer las
fuerzas de atraccin entre las molculas a fin de que entren a la fase de vapor. Si se precisa ms energa para
separar las molculas de la sustancia A que de la sustancia B es porque las molculas de A estn unidas por
fuerzas intermoleculares ms fuertes, por tanto, el punto de ebullicin de A ser mayor que el de B.
El mismo principio se aplica tambin al punto de fusin de las sustancias. Por lo general, los puntos de fusin
de las sustancias aumentan con la intensidad de las fuerzas intermoleculares.
Para comprender las propiedades de la materia condensada es necesario entender los diferentes tipos de
fuerzas intermoleculares:
Las fuerzas dipolo-dipolo, Las fuerzas dipolo-dipolo inducido Las fuerzas de dispersin
integran lo que los qumicos denominan fuerzas de Van der Waals, nombradas as en reconocimiento al fsico
holands Johannes van der Waals. Los iones y dipolos se atraen entre si mediante fuerzas electrostticas
conocidas como fuerzas ion-dipolo, que no son fuerzas de van der Waals.
El enlace de hidrogeno es un tipo de interaccin dipolo-dipolo particularmente fuerte. Dado que slo unos
pocos elementos participan en la formacin del enlace de hidrogeno, ste se trata como una categora aparte.
Segn la fase de una sustancia, la naturaleza de los enlaces qumicos y los tipos de elementos que la
componen, en la atraccin total entre las molculas pueden actuar distintos tipos de interacciones, como se
vera en seguida.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Fuerzas dipolo-dipolo
Las fuerzas dipolo-dipolo son las fuerzas de atraccin entre molculas polares, es decir, entre molculas que
poseen momentos dipolares. Su origen es electrosttico y se pueden entender en funcin de la ley de Coulomb. A
mayor momento dipolar mayor es la fuerza.
La figura inferior muestra la orientacin de molculas polares en un lquido y en un slido. En los lquidos, las
molculas polares no estn unidas de manera tan rgida como en un slido, pero tienden a alinearse de tal manera
que, en promedio, las interacciones de atraccin son mximas.
+ +
+ + +
+
+ + +
Slidos Lquidos
Fueras ion-dipolo
La Ley de Coulomb tambin explica las fuerzas ion-dipolo,
las cuales atraen entre si un ion y una molcula polar. La
intensidad de esta interaccin depende:
la carga y tamao del ion la magnitud del momento dipolar y del tamao de
la molcula.
Las cargas en los cationes estn ms concentradas porque
estos iones suelen ser ms pequeos que los aniones. En
consecuencia, con una carga de igual magnitud, un catin
experimenta una interaccin ms fuerte con los dipolos que
un anin.
2. Fuerzas intermoleculares
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Fuerzas ion-dipolo
La hidratacin es un ejemplo de interaccin ion-dipolo.
En una disolucin acuosa de NaCl, los iones Na+ y Cl- se
rodean de molculas de agua, las cuales tienen un gran
momento dipolar (1.87 D). Cuando se disuelve un
compuesto inico como NaCl, las molculas de agua
actan como un aislante elctrico que separa a los iones.
En cambio, el tetracloruro de carbono (CCl4), una
molcula no polar, carece de la capacidad de participar en
una interaccin ion-dipolo. En consecuencia, el
tetracloruro de carbono es un mal disolvente de
compuestos inicos, al igual que la mayora de los
lquidos no polares.
En la figura de la izquierda se demuestra la atraccin ion-
dipolo. EI agua de la bureta se deja correr y se recoge en
un vaso. Si se acerca una varilla cargada negativamente
(por ejemplo, una varilla de ebonita frotada en el pelo) al
chorro de agua, sta se desva hacia la varilla. Lo mismo
sucede cuando la varilla se remplaza por un objeto
cargado positivamente (por ejemplo, una varilla de vidrio
frotada en seda). Con la varilla de ebonita, las molculas
se orientan de tal forma que los extremos positivos de los
dipolos quedan ms cerca de la varilla, es decir, son
atrados por la carga negativa. Con la varilla de vidrio, los
extremos negativos de los dipolos de agua se orientan
hacia la carga positiva de la varilla. La misma desviacin
se observa con otros lquidos polares, pero no cuando se
usan lquidos no polares, como el hexano (C6H6).
2. Fuerzas intermoleculares
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Qu fuerzas de atraccin se establecen entre las sustancias no
polares?. Para contestar esta pregunta analice el esquema de la
figura.
Si un in o una molcula polar se acerca a un tomo (o una
molcula no polar), la distribucin electrnica del tomo (o
molcula) se distorsiona por la fuerza que ejerce el ion o la molcula
polar, dando lugar a una clase de dipolo. Se dice que el dipolo del
tomo (o molcula no polar) es un dipolo inducido porque la
separacin de sus cargas positivas y negativas se debe a la
proximidad de in o una molcula polar. La atraccin entre un ion y
el dipolo inducido se conoce como interaccin dipolo-dipolo
inducido.
La probabilidad de inducir un momento dipolar depende de:
la carga del ion la fuerza del dipolo el grado de polarizacin del tomo o molcula, es decir, de
que tan fcil se distorsione la distribucin electrnica del
tomo (o molcula).
Fueras dipolo-dipolo inducido
2. Fuerzas intermoleculares
En general, un tomo o molcula tiende a ser ms polarizable a medida que aumenta el nmero de electrones y
se hace ms difusa la nube electrnica. Por nube difusa se entiende una nube electrnica que se distribuye en
un volumen considerable, de tal forma que los electrones no estn fuertemente unidos al ncleo.
El carcter polarizable de los gases que contienen tomos o molculas no polares (por ejemplo, He y N2) les
permite condensarse. En un tomo de helio, los electrones se mueven a cierta distancia del ncleo. En un
instante cualquiera los tomos pueden tener un momento dipolar generado por las posiciones especficas de los
electrones.
Este momento dipolar se denomina dipolo instantneo porque dura slo una pequea fraccin de segundo. En
otro instante, los electrones cambian de posicin y el tomo tiene un nuevo dipolo instantneo, y as
sucesivamente. Sin embargo, en un tiempo promedio (el tiempo que toma medir un momento dipolar), el tomo
no tiene momento dipolar porque los dipolos instantneos se cancelan entre s. En un conjunto de tomos de He,
es posible que el dipolo instantneo de un solo tomo induzca un dipolo en cada uno de sus tomos vecinos. En
el siguiente instante, un dipolo instantneo distinto puede crear dipolos temporales en los tomos de He que lo
rodean.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Fueras dipolo-dipolo inducido
El punto importante es que este tipo de interaccin produce fuerzas de atraccin que se generan por los dipolos
temporales inducidos en los tomos o molculas. A temperaturas muy bajas (y a velocidades atmicas reducidas),
las fuerzas de dispersin son lo bastante fuertes para mantener unidos a los tomos de He y hacer que el gas se
condense. Esto tambin explica la atraccin entre molculas no polares.
En 1930, Fritz London ofreci una interpretacin de los dipolos temporales desde el punto de vista de la mecnica
cuntica. London demostr que la magnitud de esta fuerza de atraccin es directamente proporcional al grado de
polarizacin del tomo o molcula. Como se esperara, las fuerzas de dispersin pueden ser muy dbiles. Esto es
vlido para el helio, que tiene un punto de ebullicin de slo 4.2 K. (Observe que el helio tiene slo dos electrones
fuertemente unidos en el orbital 1s. En consecuencia, el tomo de helio es poco polarizable.)
Las fuerzas de dispersin aumentan con la masa molar. Como las molculas con mayor masa molar tienden a
tener ms electrones, las fuerzas de dispersin aumentan con el nmero de electrones. Adems, una mayor masa
molar a menudo refleja un tomo ms grande, y es ms fcil alterar su distribucin electrnica porque el ncleo
atrae con menos fuerza a los electrones externos.
En la tabla se comparan los puntos de fusin de sustancias
afines formadas por molculas no polares. Como es de
esperar, el punto de fusin aumenta con el nmero de
electrones en la molcula. Dado que todas estas molculas
son no polares, las nicas fuerzas intermoleculares de
atraccin presentes son las fuerzas de dispersin.
_
Ejemplo: Qu tipos de fuerzas intermoleculares existen entre los siguientes pares?
a) HBr y H2S, b) Cl2 y CBr4, c) I2 y NO3- y d) NH3 y C6H6.
Ejercicio
2. Fuerzas intermoleculares
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
El enlace de hidrogeno es un tipo especial de interaccin dipolo-dipolo entre el tomo de hidrgeno de un enlace
polar, como N-H, O-H o F-H, y un tomo electronegativo de O, N o F. Esta interaccin se escribe como
AH B o AH A A y B representan O, N o F; A-H es una molcula o parte de una molcula, y B es parte de otra molcula; la lnea
punteada representa al enlace de hidrogeno. Los tres tomos casi siempre estn situados en lnea recta, pero el
ngulo AHB (o AHA) puede desviarse de la linealidad hasta 30. Observe que los tomos de O, N y F poseen al menos un par de electrones libres capaces de interactuar con el tomo de hidrogeno en el enlace de hidrogeno.
La energa promedio de un enlace de hidrogeno es demasiado grande para una interaccin dipolo-dipolo (ms de
40 kJ/mol). Por esta razn, los enlaces de hidrogeno tienen un fuerte efecto en la estructura y propiedades de
muchos compuestos. La figura siguiente muestra varios ejemplos de enlaces de hidrogeno.
Enlace de hidrgeno
2. Fuerzas intermoleculares
La primera evidencia del enlace de hidrogeno se
obtuvo al estudiar los puntos de ebullicin de los
compuestos. Los puntos de ebullicin de una serie de
compuestos semejantes que contienen elementos del
mismo grupo peridico suelen aumentar con la masa
molar. Pero, como se observa en la figura de la
derecha, los compuestos de hidrogeno de los
elementos de los grupos 5A, 6A y 7A no siguen esta
tendencia. El compuesto ms ligero (NH3, H2O, HF) de
cada una de estas series tiene el punto de ebullicin
ms alto, de forma contraria a lo que se esperara
considerando la masa molar. La explicacin se debe a
los mltiples enlaces de hidrogeno que forman las
molculas de estos compuestos.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
En el HF slido, por ejemplo, las molculas no existen como unidades individuales; ms bien forman largas
cadenas en zigzag:
En la fase lquida se rompen las cadenas en zigzag, pero las molculas permanecen unidas por enlaces de
hidrgeno, (HF)6. Es difcil separar las molculas que estn unidas por estos enlaces. En consecuencia, el HF
lquido tiene un punto de ebullicin excepcionalmente alto.
La fuerza de un enlace de hidrgeno esta determinada por la interaccin coulmbica entre el par libre de
electrones del tomo electronegativo y el ncleo de hidrgeno. Por ejemplo, el flor es ms electronegativo que el
oxgeno, por lo que se esperara que los enlaces de hidrgeno en el HF lquido fueran ms fuertes que en el H2O.
Sin embargo, el HF tiene un punto de ebullicin menor que el del agua porque cada molcula de H2O toma parte
en cuatro enlaces de hidrgeno intermoleculares. Por tanto, las fuerzas que mantienen unidas a las molculas de
H2O son ms fuertes que en el HF.
Hielo Agua (l)
Cuales de las siguientes especies pueden
formar enlaces de hidrgeno con el agua? a)
CH3OCH3 b) CH4, c) F- d) HCOOH e) Na+
Enlace de hidrgeno
2. Fuerzas intermoleculares
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Las fuerzas intermoleculares determinan varias de las caractersticas estructurales y propiedades de los lquidos.
En esta seccin se vern dos fenmenos comunes relacionados con los lquidos:
la tensin superficial
la viscosidad.
Las molculas que se encuentran en el seno de un
lquido son jaladas en todas direcciones por las fuerzas
intermoleculares; no hay tendencia hacia una direccin
nica. Sin embargo, las molculas de la superficie son
jaladas hacia abajo y hacia los lados por otras
molculas, pero no hacia arriba de la superficie
En consecuencia, estas atracciones intermoleculares tienden a empujar esas molculas hacia el lquido, lo que
ocasiona que la superficie se tense como si fuera una pelcula elstica.
La tensin superficial es una medida de la fuerza elstica que existe en la superficie de un lquido. La tensin
superficial es la cantidad de energa necesaria para estirar o aumentar la superficie de un lquido por unidad de
rea.
Los lquidos que tienen fuerzas intermoleculares
grandes tambin poseen tensiones superficiales altas.
Como consecuencia de los enlaces de hidrgeno, el
agua tiene una tensin superficial mucho mayor que la
de la mayora de los lquidos.
Material Tensin Superficial (10
-3
N/m)
Hexano 18,43
Agua 72,75
Mercurio 465
Tensin superficial
3. Propiedades de los lquidos
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Tensin superficial
3. Propiedades de los lquidos
Cuando una gota de lquido se extiende en una pelcula sobre una superficie, se dice que el lquido moja la
superficie. El que una gota de lquido moje una superficie o bien conserve su forma esfrica y se mantenga sobre
la superficie, depende de las intensidades de dos tipos de fuerzas intermoleculares:
Las fuerzas de cohesin son las fuerzas intermoleculares entre molculas semejantes
Las fuerzas de adhesin, entre molculas diferentes.
Si las fuerzas de cohesin son fuertes en comparacin con las fuerzas de adhesin, la gota mantiene su forma.
Por otro lado, si las fuerzas de adhesin son suficientemente fuertes, se extiende la gota formndose una pelcula
. Entre las molculas polares del agua y, digamos, las
molculas no polares de la cera de un auto recin
encerado, la atraccin es mnima o nula, por lo que las
gotas de agua adoptan la forma de una pequea cuenta
esfrica porque de esta manera se minimiza el rea
superficial de un lquido. La superficie cerosa de una
manzana hmeda tambin produce el mismo efecto
Si la adhesin es ms fuerte que la cohesin, como sucede en la
figura de la izquierda, el contenido del tubo ser impulsado hacia
arriba. Este proceso contina hasta que la fuerza adhesiva se
contrarresta por el peso del agua en el tubo. Sin embargo, esta
accin no es universal entre los lquidos, como se muestra en la
figura de la derecha para el mercurio. En ste, la cohesin es mayor
que la adhesin entre el mercurio y el vidrio, de manera que cuando
un tubo capilar se sumerge en este liquido, lo que sucede es una
depresin o disminucin del nivel del mercurio, es decir, la altura del
lquido en el tubo capilar est por debajo de la superficie del
mercurio.
La accin capilar es otro ejemplo de tensin superficial. La Figura
muestra el agua que sube espontneamente en un tubo capilar
cuando una delgada pelcula de agua se adhiere a las paredes del
tubo de vidrio. La tensin superficial del agua hace que esta
pelcula se contraiga y tire del agua hacia la parte superior del tubo.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Viscosidad
El glicerol tiene la estructura inferior. Como el agua, el glicerol tambin es capaz de formar
enlaces de hidrgeno. Cada molcula de glicerol tiene tres grupos -OH que pueden
participar en enlaces de hidrgeno con otras molculas de glicerol.
3. Propiedades de los lquidos
La viscosidad es una medida de la resistencia de los lquidos a fluir.
La viscosidad de un lquido suele disminuir con el aumento en la temperatura. Los lquidos
con fuerzas intermoleculares fuertes son ms viscosos que los que los que tienen fuerzas
intermoleculares dbiles. EI agua tiene mayor viscosidad que muchos otras lquidos por su
capacidad para formar enlaces de hidrgeno. Cabe hacer notar que la viscosidad del
glicerol es mucho mayor que la de otros lquidos que se muestran en la tabla.
Adems, debido a su forma,
las molculas tienen ms
tendencia a entrelazarse que
a deslizarse, como lo hacen
las molculas de lquidos
menos viscosos. Estas
interacciones contribuyen a
su elevada viscosidad.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
4. Estructuras cristalinas
Los slidos se dividen en dos categoras:
Cristalinos Amorfos.
EI hielo es un slido cristalino que posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, es decir; sus tomos,
molculas o iones ocupan posiciones especficas. Gracias a la distribucin de estas partculas en el slido
cristalino, las fuerzas netas de atraccin intermolecular son mximas. Las fuerzas que mantienen la estabilidad
de un cristal pueden ser inicas, covalentes, de van der Waals, de enlaces de hidrogeno o una combinacin de
todas ellas.
Un slido amorfo, como el vidrio, carece de un ordenamiento bien definido y de un orden molecular repetido.
Una celda unitaria es la unidad estructural repetida de un slido cristalino.
La Figura muestra una celda unitaria y su extensin en tres dimensiones. Cada esfera representa un tomo, ion o
molcula y se denomina punto reticular. Para simplificar se supone que cada punto reticular est ocupado por
un solo tomo. Este es el caso para la mayora de los metales.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
4. Estructuras cristalinas
Cada slido cristalino se representa por uno de los siete tipos de celdas unitarias que se muestran en la Figura.
La geometra de la celda unitaria cbica es particularmente simple porque todos los lados y ngulos son
iguales. Cualquiera de las celdas unitarias que se repiten en el espacio tridimensional forma una estructura
reticular caracterstica de un slido cristalino.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
4. Estructuras cristalinas
Los requerimientos geomtricos generales para que se forme un cristal se entienden si se
analizan las distintas formas en que se pueden empaquetar varias esferas idnticas (por
ejemplo, las pelotas de ping-pong) para formar una estructura tridimensional ordenada.
La manera en que las esferas se acomodan en capas determina el tipo de celda unitaria final. En
el caso ms simple, una capa de esferas se puede distribuir como lo muestra las figuras de la
derecha. La estructura tridimensional se genera al colocar una capa encima y otra debajo de
esta capa, de tal manera que las esferas de una capa cubren totalmente las esferas de la capa
inferior. Este procedimiento se repite para generar muchas capas como las de un cristal. Cada
esfera est en contacto con otras cuatro esferas en su misma capa, una esfera en la capa
superior y una esfera en la capa inferior. Cada esfera acomodada as, se dice que tiene un
nmero de coordinacin de 6 porque tiene seis vecinos prximos.
EI nmero de coordinacin se define como el nmero de tomos (o iones) que rodean a un
tomo (o ion) en una red cristalina. Su magnitud es una medida de que tan compactas estn
empaquetadas las esferas: cuanto mayor es el nmero de coordinacin, ms juntas estn las
esferas. La unidad bsica que se repite en la distribucin de las esferas recin descrita se
denomina celda cbica simple (scc)
Empaquetamiento de esferas
Tambin existen otras celdas cbicas:
la celda cbica centrada en el cuerpo (bcc) la celda cbica centrada en las caras (fcc).
Una distribucin cbica centrada en el cuerpo se
distingue de un cubo simple en que la segunda
capa de esferas se acomoda en los huecos de la
primera capa, mientras que la tercera lo hace en los
huecos de la segunda capa. Cada esfera de esta
estructura tiene un numero de coordinacin de 8
(cada una est en contacto con cuatro esferas de la
capa superior y cuatro de la capa inferior). En la
celda cbica centrada en las caras hay esferas en eI
centro de cada una de las seis caras del cubo,
adems de las ocho esferas de los vrtices.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
En las celdas cbicas simple y centrada en el cuerpo
hay ms espacio vaco que en la celda cbica
centrada en las caras. El arreglo ms eficiente de las
esferas, denominado empaquetamiento compacta, se
inicia con la estructura que se observa en la figura a,
que se llama capa A. Examinando la nica esfera
encerrada, se ve claramente que le rodean seis
vecinas prximas en la capa. En la segunda capa (que
se llamar B), las esferas se empacan en los huecos
que quedan entre las esferas de la primera capa. De
manera que todas las esferas estn lo ms juntas
posible (figura b).
Hay dos formas en que la tercera capa de esferas
puede cubrir a la segunda capa para hacer ms
compacto el empaquetamiento. Las esferas se pueden
acomodar en los huecos de tal modo que cada esfera
de la tercera capa quede directamente sobre una
esfera de la primera capa (figura c). Dado que no hay
diferencia entre la distribucin de la primera y tercera
capas, a la tercera capa tambin se le llama capa A. De
manera alternativa, es posible que las esferas de la
tercera capa se acomoden en los huecos que estn
directamente sobre la primera capa de esferas (figura
d). En este caso, a esta tercera capa se le denomina
capa C.
Empaquetamiento compacto
4. Estructuras cristalinas
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Las Figuras muestra las "vistas separadas" y las estructuras que resultan de estos dos
arreglos. El arreglo ABA se conoce como estructura hexagonal compacta (hcp), y el arreglo
ABC es el de una estructura cbica compacta (ccp), que corresponde al cubo centrado en las
caras ya descrito. Observe que en la estructura hcp las esferas de cada una de las otras
capas ocupan la misma posicin vertical (ABABAB..), en tanto que en la estructura ccp las
esferas de cada cana capa cuarta capa ocupan la misma posicin vertical (ABCABCA ... ).
Cada esfera de ambas estructuras tiene un nmero de coordinacin de 12 (cada esfera est
en contacto con seis esferas de su propia capa, tres de la capa de arriba y tres de la capa de
abaja). Las estructuras hcp y ccp representan la forma ms eficiente de empacar esferas
idnticas en una celda unitaria, por lo que no es posible aumentar el nmero de coordinacin
ms all de 12.
Empaquetamiento compacto
4. Estructuras cristalinas
hexagonal compacta (hcp) cbica compacta (ccp)
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Empaquetamiento compacto
4. Estructuras cristalinas
Hueco
octadrico Hueco
tetradrico
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Se pueden observar objetos macroscpicos utilizando luz visible y nuestros propios ojos. Para "ver" cmo estn
ordenados los tomos, iones o molculas en un cristal, se necesita luz de longitud de onda mucho ms corta.
Cuando un haz de rayos X incide sobre los tomos, los rayos X interaccionan con los electrones de los tomos y
el haz original se dispersa en todas las direcciones. El patrn de esta radiacin dispersada est relacionado con
la distribucin de la carga electrnica en los tomos y/o molculas. Sin embargo, nuestros ojos y cerebros no
pueden percibir los rayos X. Tenemos que lograr que los rayos X dispersados produzcan un patrn visible, como
en una pelcula fotogrfica. Despus se deducir la estructura microscpica de la sustancia a partir del patrn
visible. El xito que se logra al hacer deducciones depende de la cantidad de radiacin dispersada que se recoge,
esto es, de la cantidad de "informacin" recogida. La eficacia del mtodo de difraccin de rayos X ha aumentado
enormemente por la utilizacin de ordenadores de alta velocidad para procesar enormes cantidades de datos de
rayos X.
5. Difraccin de rayos X por los cristales
La Figura siguiente sugiere un mtodo de dispersin
de rayos X por un cristal. Los datos de rayos X
pueden explicarse mediante un an-lisis geomtrico
propuesto por W.H. Bragg y W.L. Bragg en 1912 e
ilustrado en la Figura siguiente
William Henry Bragg (1862-1942)(Izquierda). Fsico ingles que
trabaj principalmente en la cristalografa de rayos X.
William Lawrence Bragg (1890-1972)(Derecha). Fsico ingls
que formul la ecuacin fundamental para la difraccin de rayos X.
Comparti con su padre (W.H. Bragg) el premio Nobel de Fsica
en 1915.
Max Theodor Felix von Laue (1879-1960).
Fsico alemn. En 1914 recibi el Premio
Nobel de Fsica por su descubrimiento de la
difraccin de rayos X.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Esta figura muestra dos rayos de un haz monocromtico (de una sola longitud de onda), de rayos X,
etiquetados como a y b. La onda a es difractada o dispersada por un plano de tomos o iones en un cristal
y la onda b por el siguiente plano inferior. La onda b atraviesa una distancia mayor que la onda a. La
distancia adicional es 2d sen. La intensidad de la radiacin dispersada ser mxima si las ondas a y b se refuerzan entre s; es decir, si sus crestas y valles coinciden. Para satisfacer este requisito, la distancia
adicional recorrida por la onda b debe ser un mltiplo entero de la longitud de onda de los rayos X.
nl = 2d sin A partir de la medida del ngulo que produce la intensidad mxima para los rayos X dispersados, junto con la longitud de onda (A) de los rayos X, se puede calcular el espaciado (d) entre los planos atmicos.
Con orientaciones diferentes del cristal se pueden determinar los espaciados atmicos y las densidades
electrnicas para diferentes direcciones a travs del cristal, en una palabra, la estructura del cristal.
5. Difraccin de rayos X por los cristales
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales inicos
6. Tipos de cristales
Las estructuras y propiedades de los cristales, como punto de fusin, densidad y dureza, estn determinadas por
el tipo de fuerzas que mantienen unidas a las partculas. Cualquier cristal es susceptible de clasificarse como
uno de cuatro tipos:
Inico Covalente Molecular Metlico
El conocimiento del radio de los iones ayuda a comprender la
estructura y estabilidad de estos compuestos. No es posible medir el
radio de un ion individual, pero en ocasiones es posible obtener una
estimacin razonable de esta propiedad. Por ejemplo, si se sabe que
el radio del ion I- en KI es de unos 216 pm, se puede calcular el radio
del ion K+ en el Kl. y a partir de este el radio del CI- en el KCl, y as
sucesivamente.
Los cristales inicos tienen dos caractersticas importantes:
1. estn formados de especies cargadas
2. los aniones y cationes suelen ser de distinto tamao.
Considere el cristal de NaCl, el cual tiene una red cbica centrada en las caras (figura superior). La figura de la
izquierda muestra que la longitud de la arista de la celda unitaria del NaCI es el doble de la suma de los radios
inicos de Na+ y Cl-. Con los valores dados en un tema anterior de los radios inicos se encuentra que la longitud
de la arista es de 2(95 + 181) = 552 pm. Sin embargo. La longitud de la arista dada en la figura superior derecha y
determinada por difraccin de rayos X es de 564 pm. La discrepancia entre estos dos valores indica gue el radio
de un ion en realidad vara ligeramente de un compuesto a otro.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
CsCl ZnS CaF2
Cristales inicos
6. Tipos de cristales
La figura superior representa las estructuras cristalinas de tres compuestos inicos: CsCI, ZnS y CaF2. Dado gue
el Cs+ es considerablemente mayor que el Na+, el CsCl tiene la estructura de una red cbica simple.
Los compuestos inicos del tipo M2+X2-
(por ejemplo, MgO, BaS, CaO) pueden
formar cristales del tipo NaCl. Sin
embargo, si el catin es suficientemente
pequeo, como en el caso del zinc, puede
ocupar los huecos tetradricos. El Zn2+
slo ocupar la mitad de los huecos
tetradricos
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales inicos
6. Tipos de cristales
El CaF2 tiene la estructura de la
fluorita. Los iones de Ca2+ ocupan los
puntos reticulares y cada ion F- se
situa en los huecos octadricos por
lo que se rodea de cuatro iones Ca2+.
Este ion se rodea a u vez de ocho
iones fluor.
Los compuestos de SrF2, BaF2, BaCl2
y PbF2 tambin tienen la estructura
de la fluorita.
CsCl ZnS CaF2
La mayora de los cristales inicos tiene puntas de ebullicin elevados, lo cual refleja la gran
fuerza de cohesin que mantiene juntos a los iones.. Estos slidos no conducen electricidad
debido a que los iones estn en una posicin fija. Sin embargo, en el estado fundido o disueltos
en agua, los iones se mueven libremente y el lquido conduce electricidad.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales inicos
6. Tipos de cristales
Cbico centrado
en las caras
Todos los huecos
octadricos
La mitad de los
huecos tetradricos
Todos los huecos
tetradricos y octadricos
Todos los
huecos tetradricos
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales covalentes
6. Tipos de cristales
Los tomos de los cristales covalentes se mantienen
unidos en una red tridimensional nicamente por
enlaces covalentes. Los dos altropos del carbono: el
diamante y el grafito, son ejemplos bien conocidos.
En el diamante, cada tomo de carbono presenta
hibridacin sp3; est enlazado con otros cuatro tomos.
Los enlaces covalentes fuertes en tres dimensiones
contribuyen a la dureza particular del diamante (es el
material ms duro que se conoce) y a su elevado punto
de fusin (3.550C).
Los tomos de carbono se distribuyen en el grafito en
forma de anillos de seis miembros. Todos los tomos
tienen hibridacin sp2; cada tomo est enlazado a
otras tres tomos por media de enlaces covalentes. El
orbital 2p remanente sin hibridar se utiliza para formar
un enlace p. Como los electrones se pueden mover
libremente en este orbital, el grafito es un buen
conductor de electricidad en direccin de los planos de
los tomos de carbono. La dureza del grafito se debe a
los enlaces covalentes; sin embargo, como las capas se
mantienen unidas por fuerzas dbiles de van der Waals,
se pueden deslizar entre s. Por esta razn, el grafito es
untuoso al lacto, y esta propiedad lo hace til como
lubricante. Tambin se utiliza en los lpices, y en las
cintas de impresoras y de maquinas de escribir.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales covalentes
6. Tipos de cristales
En 1985 se descubri la primera forma alotrpica de lo que posteriormente se vio que era una amplia serie de
compuestos: los fulerenos. Posteriormente se han descubierto muchos fulerenos incluyendo C70, C74 y C82
nanotubos
El cuarzo (SiO2) es otro tipo de cristal covalente. La distribucin de los
tomos de silicio en el cuarzo es semejante a la del carbono en el
diamante, pero en el cuarzo hay un tomo de oxgeno entre cada par de
tomos de Si. Como el Si y el O tienen diferentes electronegatividades,
el enlace Si-O es polar. No obstante, el SiO2 comparte algunas de las
propiedades del diamante, como la dureza y el punto de fusin alto
(1610C).
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales moleculares
6. Tipos de cristales
En un cristal molecular, los puntas reticulares estn ocupados par molculas que se
mantienen unidas par fuerzas de van der Waals y/o de enlaces de hidrgeno. El dixido de
azufre (SO2) slido es un ejemplo de un cristal molecular, en el que la fuerza de atraccin
predominante es una interaccin dipolo-dipolo. Los enlaces de hidrgeno intermoleculares
son los que mantienen la red tridimensional del hielo. Los cristales de I2, P4 y S8 son otros
ejemplos de cristales moleculares.
Con excepcin del hielo, las molculas de los cristales
moleculares suelen empacarse tan juntas como su tamao y
forma lo permitan. Debido a que las fuerzas de van der Waals y
los enlaces de hidrgeno son ms dbiles que los enlaces
inicos y covalentes, los cristales moleculares son ms
quebradizos que los cristales covalentes o inicos. De hecho,
la mayora de los cristales moleculares se funden a
temperaturas menores de 100C.
Hielo I2 NH3
CH4
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Cristales metlicos
6. Tipos de cristales
En cierto sentido, la estructura de los cristales metlicos es la mas simple porque cada punto
reticular del cristal esta ocupado por un tomo del mismo metal. Los cristales metlicos por lo
regular tienen una estructura cbica centrada en el cuerpo o centrada en las caras; tambin
pueden ser hexagonales de empaquetamiento compacto.
Por consiguiente, los elementos metlicos suelen ser muy densos. Los enlaces en los cristales de
metales son diferentes a los de otros tipos de cristales.
En un metal, los electrones de enlace estn deslocalizados en todo el cristal. De hecho, los
tomos metlicos en un cristal se pueden imaginar como una distribucin de iones positivos
inmersos en un mar de electrones de valencia deslocalizados. La gran fuerza de cohesin debida
a la deslocalizacin electrnica es la que Ie confiere la resistencia al metal. La movilidad de los
electrones deslocalizados hace que los metales sean buenos conductores de calor y electricidad.
Los metales se muestran en sus posiciones de la Tabla peridica. El Mn tiene una estructura cbica y el Ga tiene
una estructura ortorrmbica, los elementos In y Sn tienen una estructura tetragonal, y el Hg tiene una estructura
rombodrica
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
7.Slidos amorfos
Actualmente existen alrededor de 800 tipos de vidrio de uso comn. La Figura es una representacin
bidimensional del cuarzo cristalino y del vidrio de cuarzo amorfo. En la tabla se indica la composicin y
propiedades de los vidrios de cuarzo, Pyrex y de cal sodada.
Cuarzo cristalino
Vidrio de cuarzo no cristalino
Nombre Composicin Propiedades y usos
Vidrio de cuarzo
puro
SiO2, 100% Expansin trmica baja, transparente en un amplio margen de longitud de ondas.
Utilizado en La investigacin ptica
Vidrio Pyrex
SiO2, 60-80%
B2O3, 10-25%
Al2O3,
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Equilibrio liquido-vapor
8.Cambios de fase
Los cambios de fase, o las transformaciones de una fase a otra, se presentan cuando se agrega o se quita energa
(casi siempre en forma de calor). Los cambios de fase son cambios fsicos que se distinguen porque cambia el
orden molecular; en la fase slida las molculas alcanzan el mximo ordenamiento, y en la fase gaseosa tienen el
mayor desorden. Conviene tener en mente que la relacin entre el cambio de energa y el aumento o disminucin
del orden molecular ayudara a entender la naturaleza de estos cambios fsicos.
Las molculas de un lquido no estn fijas en un retculo rgido. Aunque carecen de la libertad total de movimiento
de las molculas gaseosas, estn en continuo movimiento. Como los lquidos son ms densos que los gases, la
velocidad de colisin entre las molculas es mucho mayor en la fase lquida que en la fase gaseosa. Cuando las
molculas de un lquido tienen suficiente energa para escapar de la superficie, sucede un cambio de fase. La
evaporacin o vaporizacin es el proceso en el cual un liquido se transforma en un gas. Cuanto mayor es la
temperatura, mayor es la energa cintica y, por tanto, ms molculas dejan la fase lquida.
Cuando un lquido se evapora, sus molculas gaseosas ejercen una presin de vapor. Examine el aparato que se
muestra en la figura lateral. Antes de que inicie el proceso de evaporacin, los niveles de mercurio del manmetro
en forma de U son iguales. En cuanto algunas molculas dejan el lquido, se establece la fase de vapor. La presin
de vapor es medible slo cuando hay una cantidad suficiente de vapor. Sin embargo, el proceso de evaporacin
no contina indefinidamente; en cierto momento los niveles de mercurio se estabilizan y ya no se observan
cambios.
Que sucede en el nivel molecular durante la evaporacin?
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Equilibrio liquido-vapor
8.Cambios de fase
El proceso de condensacin, o el cambio de la fase gaseosa a la fase lquida, ocurre cuando una molcula choca
en la superficie del lquido y queda atrapada por las fuerzas intermoleculares del lquido.
La velocidad de evaporacin es constante a una temperatura dada y la velocidad de condensacin aumenta con el
incremento en la concentracin de las molculas en la fase de vapor. En cierto momento se llega a un estado de
equilibrio dinmico, cuando la velocidad del proceso en un sentido esta exactamente balanceada por la velocidad
del proceso inverso, es decir, cuando las velocidades de condensacin y de evaporacin se igualan. La presin
de vapor de equilibrio es la presin de vapor medida cuando hay un equilibrio dinmico entre la condensacin y
la evaporacin. Con frecuencia, slo se emplea el termino "presin de vapor" para describir la presin de vapor
de equilibrio de un lquido. Este trmino es aceptable en tanto se conozca el significado del trmino abreviado.
Es importante observar que la presin de vapor de equilibrio es la mxima presin de vapor de un lquido a una
temperatura dada y que permanece constante a temperatura constante. De aqu se desprende que la presin de
vapor de un lquido aumenta con la temperatura.
Al principio, el trfico es en un slo sentido: las
molculas se desplazan desde el lquido hacia el
espacio vaco. En cuanto las molculas dejan el
lquido, establecen una fase de vapor. Cuando
aumenta la concentra-cin de las molculas en la
fase de vapor, algunas se condensan, es decir,
regresan a la fase lquida.
El calor molar de vaporizacin (DHvap ) es una medida de la intensidad de las fuerzas intermoleculares que se
ejercen en un liquido.
El calor molar de vaporizacin, DHvap, se define como la energa necesaria para evaporar un mol de un liquido
El calor molar de vaporizacin est relacionado directamente con la magnitud de las fuerzas intermoleculares que
hay en el lquido. Si la atraccin intermolecular es fuerte, se necesita mucha energa para libe-rar a las molculas
de la fase lquida; por tanto, el lquido tiene una presin de vapor relativamente baja y un elevado calor molar de
vaporizacin.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
La relacin cuantitativa entre la presin de vapor P de un lquido y la temperatura absoluta T est dada por la
ecuacin de Clausius-Clapeyron
donde R es la constante de los gases (8.314 J/Kmol), y C es una constante. La ecuacin de Clausius-
Clapeyron tiene la forma de la ecuacin de la recta y = mx + b:
El mtodo que se utiliza para determinar los calores de vaporizacin de los lquidos consiste en medir la
presin de vapor de un lquido a distintas temperaturas; del grfico de In P contra 1/T se determina la
pendiente de la recta, que es igual a DHvap/R. (Se supone que DHvap es independiente de la temperatura).
CRT
HPLn
vap
D
La forma ms sencilla de demostrar el calor molar de vaporizacin consiste en frotar alcohol en las manos,
como etanol o isopropanol . Estos alcoholes tienen un DHvap menor que el del agua, de manera que el calor de
las manos es suficiente para aumentar la energa cintica de las molculas de alcohol y evaporarlas. Las
manos se sienten fras debido a la perdida de calor.
Este proceso es semejante a la transpiracin, una de las formas por las que el cuerpo humano mantiene una
temperatura constante. Debido a la fuerza de los enlaces de hidrgeno intermoleculares del agua, se necesita
una cantidad considerable de energa para evaporar el agua del sudor de la superficie del cuerpo. Esta
energa la aporta el calor generado en varios procesos metablicos.
Equilibrio liquido-vapor
8.Cambios de fase
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
En ltima instancia, el punto de ebullicin y DHvap estn determinados por la magnitud de las fuerzas
intermoleculares. Por ejemplo, Ar y el CH4, que tienen fuerzas de dispersin dbiles, tienen puntos de ebullicin
bajos y calores molares de vaporizacin pequeos. El ter dietlico (C2H5OC2H5) tiene un momento dipolar, y las
fuerzas dipolo-dipolo explican su punto de ebullicin y DHvap moderadamente altos. Tanto el etanol (C2H5OH)
como el agua tienen enlaces de hidrgeno fuertes, y son los responsables de sus puntos de fusin altos y
valores de DHvap grandes. Los enlaces metlicos fuertes de los tomos de mercurio son la causa de que tenga el
mayor punto de ebullicin y DHvap de este grupo de lquidos.
Como el punto de ebullicin se define en trminos de la presin de vapor del lquido, se espera que el punto de
ebullicin se relacione con el calor molar de vaporizacin: a mayor DHvap, mayor ser el punto de ebullicin. Los
datos de la tabla confirman ms o menos esta prediccin.
En el punto de ebullicin se forman burbujas dentro del lquido que suben a la superficie y escapan. La presin
que ejercen las molculas que se escapan iguala a la ejercida por las molculas de la atmsfera y se dice que
tiene lugar la ebullicin. Durante la ebullicin, la energa absorbida como calor se utiliza nicamente en pasar
molculas de lquido a vapor. La temperatura permanece constante hasta que todo el lquido se evapora, hecho
que se ilustra de forma espectacular en la Figura.
Se ha visto que la presin de vapor de un lquido aumenta con la temperatura. Cada lquido tiene una temperatura
en la que comienza a hervir.
El punto de ebullicin es la temperatura a la cual la presin de vapor de un lquido es igual a la presin externa.
El punto de ebullicin normal de un
lquido es la temperatura a la cual
hierve cuando la presin externa es
1 atm
Por tanto, se concluye entonces que
el punto de ebullicin de un lquido
depende de la presin externa. Por
ejemplo, a 1 atm, el agua ebulle a
100C, pero si la presin se reduce a 0.5 atm, el agua hierve a slo 82C.
Equilibrio liquido-vapor
8.Cambios de fase
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
El punto crtico es el punto en el que se
alcanza estas condiciones, en donde el
lquido y el vapor se hacen
indistinguibles. La temperatura del punto
crtico es la temperatura crtica, Tc, y la
presin crtica, Pc. El punto crtico es el
punto ms alto de la curva de presin de
vapor y representa la temperatura ms alta
a la que el lquido puede existir. En la
Tabla se incluyen varias temperaturas y
presiones crticas.
Si encerramos la cantidad adecuada de lquido en un tubo de vidrio y lo calentamos como en la figura inferior,
observamos los siguientes fenmenos:
la densidad del lquido disminuye; la del vapor aumenta; y finalmente las dos densidades de hacen iguales la tensin superficial del lquido se aproxima a cero. La interfase entre el lquido y el vapor se hace menos
evidente y finalmente desaparece.
Un gas slo puede licuarse a temperaturas por
debajo de su temperatura crtica,. Si la temperatura
ambiente est por debajo de Tc, la licuefaccin
puede tener lugar aplicando la presin adecuada. Si
la temperatura ambiente est por encima de Tc, se
necesita aumentar la presin y disminuir la
temperatura hasta un valor por debajo de Tc.
Equilibrio liquido-vapor
8.Cambios de fase
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Equilibrio liquido-slido
8.Cambios de fase
EI calor ayuda a las molculas a vencer las fuerzas de atraccin en el slido. Una vez que la muestra se ha
fundido por completo (punta B), el calor absorbido aumenta la energa cintica promedio de las molculas de
lquido y su temperatura aumenta (B-C). El proceso de evaporacin (C-D) se explica en forma similar. La
temperatura permanece constante durante el periodo en el que el aumento de la energa cintica se utiliza para
vencer las fuerzas de cohesin en el lquido. Cuando todas las molculas estn en la fase gaseosa, la
temperatura vuelve a aumentar.
Como las molculas en la fase slida estn unidas con ms fuerza que en la fase lquida, se necesita calor para
producir la transicin de fase slido-Iquido. Al examinar la curva de calentamiento mostrada en Ia figura se
observa que cuando un slido se calienta, su temperatura aumenta de manera gradual hasta alcanzar el punto A.
En este punto, el slido comienza a fundirse. Durante el periodo de fusin (A-B), en la primera meseta de la
curva, el sistema absorbe calor aunque la temperatura permanezca constante
La transformacin de un liquido en slido se
conoce como congelacin; el proceso
inverso se denomina fusin. El punto de
fusin de un slido o el punto de congelacin
de un lquido es la temperatura a la cual las
fases slida y lquida coexisten en el
equilibrio. EI punto de fusin (o congelacin)
normal de una sustancia es la temperatura a
la cual una sustancia se funde (o se congela)
a 1 atm de presin. Por lo general, se omite la
palabra "normal" cuando la presin es de 1
atm.
EI equilibrio Iquido-slido ms comn ocurre
entre: el agua y el hielo. A 0 C y 1 atm, el equilibrio dinmico se representa por
hielo agua
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Equilibrio liquido-slido
8.Cambios de fase
EI calor molar de fusin (DHfus) es la energa necesaria para fundir un mol de un slido. Las
tablas muestran los calores molares de evaporacin y fusin de algunas sustancias
Al comparar los datos de las dos tablas se observa que para cada sustancia, DHfus es menor
que DHvap. Esto es congruente con el hecho de que las molculas de un liquido todava estn
estrechamente empacadas, de tal forma que se requiere cierta energa para lograr el
reordenamiento del slido al lquido.
Por otro lado, cuando un liquido se evapora, sus molculas se separan por completo y se
necesita una cantidad considerablemente mayor de energa para vencer las fuerzas de
atraccin.
Como se espera, el enfriamiento de una sustancia tiene el efecto opuesto al calentamiento. Si
se elimina calor de una muestra de gas a una velocidad uniforme su temperatura disminuye.
Conforme se forma el lquido, se libera calor del sistema porque su energa potencial est
disminuyendo. A esto se debe que la temperatura del sistema permanezca constante durante la
condensacin (D-C). Una vez que todo el vapor se ha condensado, la temperatura del lquido
comienza a bajar. Por ultimo, al continuar el enfriamiento del lquido se llega a la congelacin
(B-A).
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Equilibrio slido-vapor
8.Cambios de fase
Los slidos tambin experimentan evaporacin
y. por consiguiente, poseen una presin de
vapor. Considere el siguiente equilibrio
dinmico:
slido vapor
El proceso en el cual las molculas pasan
directamente de slido a gas se conoce como
sublimacin. EI proceso inverso se denomina
deposicin; esto es, las molculas hacen la
transicin directa de vapor a slido. El naftaleno,
la sustancia con la que se fabrican bolitas para
combatir la polilla, tiene una presin de vapor
(de equilibrio) bastante alta para un slido; por
ello, su vapor picante impregna muy rpido un
espacio cerrado. EI yodo tambin se sublima. A
la temperatura ambiente, el color violeta del
vapor del yodo es fcilmente visible en un
recipiente cerrado.
Como las molculas estn unidas con ms
fuerza en un slido, su presin de vapor suele
ser mucho menor que la del lquido
correspondiente. La energa necesaria para
sublimar un mol de un slido recibe el nombre
de calor molar de sublimacin (DHsub). Y es
igual a la suma de los calores molares de fusin
y vaporizacin.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
9.Diagrama de fase Las relaciones completas entre las fases slida, liquida y de
vapor se representan mejor en un slo grafico conocido
como diagrama de fases. Un diagrama de fases resume las
condiciones en las cuales una sustancia existe como slido,
lquido o gas. En este apartado se analizaran los diagramas
de fases del agua y del dixido de carbono.
En la figura superior se presenta el diagrama de fases del
agua. EI grafico se divide en tres regiones y cada una
representa una fase pura. La lnea que separa cualesquiera
dos regiones indica las condiciones en las que estas dos
fases pueden estar en equilibrio. Por ejemplo, la curva
trazada entre las fases liquida y de vapor muestra la
variacin de la presin de vapor con la temperatura. Del
mismo modo, las otras dos curvas indican las condiciones
para que se establezca un equilibrio entre el hielo y el agua
liquida, y entre el hielo y el vapor de agua. (Observe que la
lnea que limita las fases slida-liquida tiene pendiente
negativa.) EI punto en el que se unen las tres curvas se
denomina punto triple, y corresponde a la nica condicin
en la que las tres fases pueden estar en equilibrio. Para el
agua, este punto esta a 0.01 C y 0.006 atm.
Los diagramas de fases permiten predecir los cambios en el
punto de fusin y en el punto de ebullicin de una sustancia
debido a los cambios de la presin externa. Tambin
permiten anticipar las direcciones de las transiciones de las
fases producidas por los cambios de temperatura y presin.
Los puntos normales de fusin y de ebullicin del agua a 1
atm de presin son 0 y 100 C, respectivamente. Que
pasara si el agua se fundiera o hirviera a alguna otra
presin? La figura inferior muestra que si la presin
aumenta por arriba de 1 atm, aumentara el punto de
ebullicin y disminuir el punto de fusin. Una disminucin
en la presin producir un menor punto de ebullicin e
incrementara el punto de fusin.
JM
G F
rag
a
Te
ma
10
: L
QU
IDO
S, S
L
IDO
S Y
FU
ER
ZA
S I
NT
ER
MO
LE
CU
LA
RE
S
Conviene hacer una observacin interesante acerca del diagrama de fases de la figura. Como se
ve, toda la fase lquida est muy por arriba de la presin atmosfrica; por consi-guiente, es
imposible que el dixido de carbono slido se funda a la presin de 1 atm. En cambio, cuando el
CO2 slido se calienta a -78C se sublima. De hecho, el dixido de carbono slido se conoce como hielo seco porque parece hielo y no se funde (figura 11.42). Por esta propiedad, el hielo
seco se utiliza como refrigerante.
El diagrama de fases del dixido de carbono tiene mucha semejanza con el del agua, con una
excepcin importante: la pendiente de la curva entre las fases slida y lquida es positiva. De
hecho, esto es valido para casi todas las dems sustancias. EI agua se comporta de otra forma
porque el hielo es menos denso que el agua liquida. El punto triple del dixido de carbono est a
5.2 atm y -57C.
9.Diagrama de fase