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11. Fuerzas Intermoleculares, Líquidos y Sólidos. Raymond Chang
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Las fuerzas intermoleculares ylos líquidos y sólidos
Capítulo 11
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
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
fuerte
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
E
vapo
raci
ónOrden
máximo
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