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.

2 fasesFase sólida - hielo

Fase líquida - agua

11.1

Propiedades características de gases, líquidos y sólidosEstado dela materia Volumen/forma Densidad Compresibilidad Movimiento molecularGas 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

Fuerzas intermoleculares

11.2

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)

Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares.

“Magnitud” de las fuerzas intermoleculares

puntos de ebullición

puntos de fusión

Hvap

Hfus

Hsub

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

11.2

Interacción ion-dipolo

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas de dispersión

son fuerzas de atracción que se generan por los dipolos temporales inducidos en los átomos o moléculas

11.2

Distorsión causada por la aproximación de un catión

interacción catión-dipolo inducido

Distorsión causada por la aproximación de un dipolo

interacción dipolo-dipolo inducido

Distribución de carga esférica en un átomo de helio

Catión

Dipolo

Dipolo inducido

Dipolo inducido

Fuerzas intermoleculares

Fuerzas de dispersión

11.2

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.

Las fuerzas de dispersión usualmente aumentan con la masa molar.

Puntos de fusión de compuestos no polares similares

Puntos de fusión

Compuestos (°C)

SO

O

¿Qué tipo(s) de fuerzas intermoleculares existen entre cada una de las siguientes moléculas?

HBrHBr 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

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

11.2

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 A H…Ao

A y B representan N, O o F

¿Por qué se considera que el enlace de hidrógeno es una interacción dipolo-dipolo “especial”?

Disminución de la masa molary del punto de ebullición

11.2Periodo

Pu

nto

de

ebu

llic

ión

(°C

) Grupo 6A

Grupo 7A

Grupo 5A

Grupo 4A

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

11.3

Adhesión es la atracción entre moléculas no afines

Adhesión

Cohesión

Propiedades de los líquidos

Viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir.

11.3

Fuerzas intermoleculares

fuertes

Viscosidadalta

Viscosidad de algunos líquidos comunes a 20 °C

ViscosidadLíquido (N s/m2)*

Acetona (C3H6O)

Benceno (C6H6)

Sangre

Tetracloruro de carbono (CCl4)

Etanol (C2H5OH)

Éter dietílico (C2H5OC2H5)

Glicerol (C3H8O3)

Mercurio (Hg)

Agua (H2O)* Las unidades en el SI de la viscosidad son el newton-segundo por metro cuadrado.

Densidad máxima4 °C

El hielo es menos denso que el agua

Densidad del agua

11.3

El agua es una sustancia única

Estructura 3-D

del hielo

Temperatura (°C)

De

ns

ida

d (

g/m

L)

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

11.6diamante grafito

átomos decarbono

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

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

11.6

Sección transversal de un cristal metálico

Núcleo ye- internos

“mar” móvilde e-

11.6

Tipos de cristales

Tipos de cristales y propiedades generalesTipo 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)conductor del calor y la electricidad

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.

E

vapo

raci

ónMayororden

Menororden

11.8C

onde

nsac

ión

Cambios de faseGas

Líquido

Sólido

Tem

per

atu

ra

T2 > T1

Nú

me

ro d

e m

olé

cula

sN

úm

ero

de

mo

lécu

las

E1

Energía cinética E

E1

Energía cinética E

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 decondensación

Velocidad deevaporación=

Equilibrio dinámico

11.8

Velocidad de evaporación

Equilibrio dinámico establecido

Velocidad de condensación

Vel

oci

dad

Tiempo

Antes de laevaporación

En el equilibrio

11.8

Aparato para medir la presión de vapor de un líquido

Líquido Líquido

Espaciovacío

Vacío

Calor molar de vaporización (Hvap) es la energía requrida para vaporizar 1 mol de un líquido.

ln P = -Hvap

RT+ C

Ecuación de Clausius-Clapeyron

P = presión de vapor (equilibrio)

T = temperatura (K)

R = constante de los gases (8.314 J/K•mol)

11.8

Presión de vapor vs. 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 (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.

11.8

Calor molar de vaporización para líquidos seleccionados

Substancia Punto de ebullición* Hvap (kJ/mol)

Argón (Ar)

Benceno (C6H6)

Etanol (C2H5OH)

Éter dietílico (C2H5OC2H5)

Mercurio (Hg)

Metano (CH4)

Agua (H2O)

* En °C y medido a 1 atm

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 el equilibrio

Gas

Líquido

Sólido

Tem

per

atu

ra

Cambios de fase

Calor molar de fusión (Hfus) es la energía requerida para fundir 1 mol de una sustancia sólida.

11.8

Calor molar de fusión para líquidos seleccionados

Substancia Punto de ebullición* Hfus (kJ/mol)

Argón (Ar)

Benceno (C6H6)

Etanol (C2H5OH)

Éter dietílico (C2H5OC2H5)

Mercurio (Hg)

Metano (CH4)

Agua (H2O)

* En °C y medido a 1 atm

Curva de calentamiento

Punto de ebullición

Punto de fusión

en equilibrioSólido y líquido

Líquido y vaporen equilibrio

Líquido

Sólido

Vapor

Tiempo

Tem

per

atu

ra

11.8

Sub

limac

ión

11.8

Dep

osic

ión

H2O (s) H2O (g)

Calor molar de sublimación (Hsub) es la energía requerida para sublimar 1 mol de un sólido.

Hsub = Hfus + Hvap

(Ley de Hess)

Cambios de faseGas

Líquido

Sólido

Tem

per

atu

ra

Un diagrama de fase resume las condiciones a las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas.

Diagrama de fases del agua

11.8Temperatura

Pre

sió

n SólidoLíquido

Vapor

11.8

Temperatura

Pre

sió

n

SólidoLíquido

Vapor

Diagrama de fases del dióxido de carbono