Las fuerzas intermoleculares y los líquidos y sólidos Unidad 5 y 6 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Química, R. Chang, Séptima Edición.

Una fase es una parte homogénea de un sistema y aunque está en contacto con otras partes del mismo, está separada de esas partes por un límite bien definido. Fase sólida - hielo 2 fases Fase líquida - agua Propiedades características de gases, líquidos y sólidos Estado de la materia Volumen/forma Densidad Compresibilidad Movimiento molecular Gas Asume la forma y el volumen Baja Muy compresible Muy libre del recipiente que lo contiene Líquido Tiene volumen definido pero asume Alta Ligeramente compresible Se deslizan entre sí la forma del recipiente que lo contiene libremente Sólido Tiene forma y volumen definidos Alta Prácticamente incompresible Vibraciones alrededor de posiciones fijas 11.1

Fuerzas intermoleculares Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas. Fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos de una molécula. Fuerzas intermoleculares contra fuerzas intramoleculares 41 kJ de energía para evaporar 1 mol de agua (inter) 930 kJ de energía para romper los dos enlaces O-H en 1 mol de moléculas de agua (intra) “Magnitud” de las fuerzas intermoleculares puntos de ebullición puntos de fusión DHvap DHfus DHsub Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares. 11.2

Fuerzas intermoleculares Fuerzas dipolo-dipolo son las fuerzas de atracción entre moleculas polares Orientación de moleculas polares en un sólido 11.2

Fuerzas intermoleculares Fuerzas ion-dipolo son las fuerzas de atracción entre ion y una molécula polar Interacción ion-dipolo 11.2

Fuerzas intermoleculares Fuerzas de dispersión son fuerzas de atracción que se generan por los dipolos temporales inducidos en los átomos o moléculas Catión Dipolo Dipolo inducido Distribución de carga esférica en un átomo de helio Distorsión causada por la aproximación de un catión interacción catión-dipolo inducido Distorsión causada por la aproximación de un dipolo interacción dipolo-dipolo inducido 11.2

Fuerzas intermoleculares Fuerzas de dispersión Polarizabilidad qué tan fácil se distorsiona la distribución electrónica del átomo (o de las moléculas) Polarizabilidad incrementa a medida que: aumenta el número de electrones, se hace mas difusa la nube electrónica. Puntos de fusión de compuestos no polares similares Puntos de fusión Compuestos (°C) Las fuerzas de dispersión usualmente aumentan con la masa molar. 11.2

¿Qué tipo(s) de fuerzas intermoleculares existen entre cada una de las siguientes moléculas? HBr HBr es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo, además de las fuerzas de dispersión entre moléculas de HBr. CH4 CH4 es no polar: fuerzas de dispersión. SO2 S O SO2 es una molécula polar: fuerzas dipolo-dipolo, además de las fuerzas de dispersión entre moléculas de SO2. 11.2

Fuerzas intermoleculares El enlace de hidrógeno El enlace de hidrógeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo entre el átomo de hidrógeno de un enlace polar, como N-H, O-H o F-H y un átomo electronegativo de O, N o F. A H … B o A y B representan N, O o F 11.2

Punto de ebullición (°C) ¿Por qué se considera que el enlace de hidrógeno es una interacción dipolo-dipolo “especial”? Disminución de la masa molar y del punto de ebullición Grupo 6A Grupo 7A Punto de ebullición (°C) Grupo 5A Grupo 4A Periodo 11.2

Propiedades de los líquidos Tensión superficial es la cantidad de energía requerida para estirar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área. Fuerzas intermoleculares fuertes Alta tensión superficial 11.3

Propiedades de los líquidos Cohesión es la atracción intermolecular entre moléculas afines Adhesión es la atracción entre moléculas no afines Adhesión Cohesión 11.3

Propiedades de los líquidos Viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir. Viscosidad de algunos líquidos comunes a 20 °C Fuerzas intermoleculares fuertes Viscosidad Líquido (N s/m2)* Acetona (C3H6O) Benceno (C6H6) Sangre Tetracloruro de carbono (CCl4) Etanol (C2H5OH) Éter dietílico (C2H5OC2H5) Glicerol (C3H8O3) Mercurio (Hg) Agua (H2O) Viscosidad alta * Las unidades en el SI de la viscosidad son el newton-segundo por metro cuadrado. 11.3

El hielo es menos denso que el agua El agua es una sustancia única Estructura 3-D del hielo Densidad máxima 4 °C Densidad del agua El hielo es menos denso que el agua Densidad (g/mL) 11.3 Temperatura (°C)

Tipos de cristales Cristales iónicos Puntos de red ocupados por cationes y aniones Se mantienen unidos por atracción electrostática Punto de fusión alto, duro y brillante Pobre conductor del calor y la electricidad CsCl ZnS CaF2 11.6

Tipos de cristales Cristales covalentes Puntos de red ocupados por átomos Se mantienen unidos por enlaces covalentes Duro, punto de fusión alto Pobre conductor del calor y la electricidad átomos de carbono diamante grafito 11.6

Tipos de cristales Cristales moleculares Puntos de red ocupados por moléculas Se mantienen unidos por fuerzas intermoleculares Suave, bajo punto de fusión Pobre conductor del calor y la electricidad 11.6

Sección transversal de un cristal metálico Tipos de cristales Cristales metálicos Puntos de red ocupados por átomos de metal Los átomos se mantienen juntos por enlaces metálicos Suave a duro, bajo a alto punto de fusión Buenos conductores del calor y la electricidad Sección transversal de un cristal metálico Núcleo y e- internos “mar” móvil de e- 11.6

Tipos de cristales 11.6 Tipos de cristales y propiedades generales Tipo Fuerza(s) que mantiene(n) de cristal las celdas unidas Propiedades generales Ejemplos Iónico Atracción electrostática Duro, brillante, alto punto de fusión, pobre NaCl, LiF, MgO, CaCO3 conductor del calor y la electricidad Covalente Enlace covalente Duro, alto punto de fusión, pobre C(diamante), †SiCO2 (cuarzo) Molecular* Fuerzas de dispersión, fuerzas Suave, bajo punto de fusión, pobre Ar, CO2, I2, H2O, C12H12O11 dipolo-dipolo, enlaces de H conductor del calor y la electricidad (sacarosa) Metálico Enlace metálico Suave a duro, bajo a alto punto de fusión, Todos los elementos metálicos; buen conductor del calor y la electricidad ejemplo, Na, Mg, Fe, Cu * Se incluyen en esta categoría los cristales formados por átomos individuales. † El diamante es un buen conductor térmico. 11.6

Cambios de fase Condensación Evaporación T2 > T1 Menor Mayor orden Gas T2 > T1 Número de moléculas E1 Energía cinética E Evaporación Condensación Líquido Temperatura Sólido 11.8

Velocidad de evaporación La presión de vapor de equilibrio es la presión de vapor medida cuando un equilibrio dinámico existe entre la condensación y la evaporación H2O (l) H2O (g) Velocidad de condensación evaporación = Equilibrio dinámico Velocidad de evaporación Equilibrio dinámico establecido Velocidad Velocidad de condensación Tiempo 11.8

Aparato para medir la presión de vapor de un líquido Vacío Espacio vacío Líquido Líquido Antes de la evaporación En el equilibrio 11.8

Ecuación de Clausius-Clapeyron Calor molar de vaporización (DHvap) es la energía requrida para vaporizar 1 mol de un líquido. ln P = - DHvap RT + C Ecuación de Clausius-Clapeyron P = presión de vapor (equilibrio) T = temperatura (K) R = constante de los gases (8.314 J/K•mol) Presión de vapor vs. Temperatura Éter dietílico Agua Mercurio Presión de vapor (atm) Temperatura (°C) 11.8

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor (equilibrio) de un líquido es igual a la presión externa. El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual el líquido ebulle cuando la presión externa es de 1 atm. Calor molar de vaporización para líquidos seleccionados Substancia Punto de ebullición* DHvap (kJ/mol) Argón (Ar) Benceno (C6H6) Etanol (C2H5OH) Éter dietílico (C2H5OC2H5) Mercurio (Hg) Metano (CH4) Agua (H2O) * En °C y medido a 1 atm 11.8

Cambios de fase H2O (s) H2O (l) Gas 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 el equilibrio Líquido Temperatura Fusión Congelación Sólido 11.8

Calor molar de fusión para líquidos seleccionados Calor molar de fusión (DHfus) es la energía requerida para fundir 1 mol de una sustancia sólida. Calor molar de fusión para líquidos seleccionados Substancia Punto de ebullición* DHfus (kJ/mol) Argón (Ar) Benceno (C6H6) Etanol (C2H5OH) Éter dietílico (C2H5OC2H5) Mercurio (Hg) Metano (CH4) Agua (H2O) * En °C y medido a 1 atm 11.8

Curva de calentamiento Punto de ebullición Punto de fusión en equilibrio Sólido y líquido Líquido y vapor Líquido Sólido Vapor Tiempo Temperatura 11.8

Cambios de fase H2O (s) H2O (g) Gas H2O (s) H2O (g) Calor molar de sublimación (DHsub) es la energía requerida para sublimar 1 mol de un sólido. Sublimación Deposición Líquido Temperatura DHsub = DHfus + DHvap (Ley de Hess) Sólido 11.8

Diagrama de fases del agua Un diagrama de fase resume las condiciones a las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas. Diagrama de fases del agua Líquido Sólido Presión Vapor Temperatura 11.8

Diagrama de fases del dióxido de carbono Líquido Sólido Presión Vapor Temperatura 11.8