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Fuerzas intermoleculares, líquidos y sólidos
Capítulo 11.Brown, T., LeMay H. & B. Bursten. (2004).
Química La Ciencia Central. 9na Edición. Prentice Hall.
Dr. Luis Domínguez Química General I (P012) – 2008 II
La fuerza que une a los átomos de una molécula es una fuerza química o intramolecular.
La fuerza que une a las moléculas es una fuerza física o intermolecular.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares
Existen tres tipos de fuerzas de atracción intermolecular (llamadas fuerzas de van der Waals):
Fuerzas ion-dipolo
Fuerzas dipolo-dipolo
Fuerzas de dispersión de London
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares
Todas de naturaleza electrostática!
En general, las fuerzas de van der Waals poseen solo un 15% en magnitud que la fuerza de los enlaces iónicos o covalentes.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Magnitud de las fuerzas intermoleculares
Talves a uno de ustedes caballeros le importaría decirme que es lo que encuentran tan atractivo en la ventana…!
La fuerza que une un ión (X+ o X-) y la carga parcial de un extremo de una molécula polar se conoce como fuerza ion-dipolo.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares1. Fuerzas Ion-dipolo
NaCl + H20Y que pasa con el momento dipolar?
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares1. Fuerzas Ion-dipolo
Momento dipolar neto () de algunas moléculas
Mayor momento dipolar neto, mayor fuerza ion-dipolo, mayor punto de ebullición
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares1. Fuerzas Ion-dipolo
Mayor momento dipolar neto, mayor fuerza ion-dipolo, mayor punto de ebullición
SustanciaMasa
molecularU.M.A.
Momento Dipolar
(D)
Punto de ebullición
[ K ]
Propano 44 0.1 231
Éter dimetílico 46 1.3 248
Cloruro de metilo 50 2.0 249
Acetaldehído 44 2.7 294
Acetonitrilo 41 3.9 355
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares2. Fuerzas dipolo-dipolo Fuerzas dipolo-dipolo existen
entre moléculas polares neutras (no polares).
Cada lado de la molécula neutra posee una carga parcial (+ o -).
Si los extremos con carga opuesta se encuentran, se genera una fuerza electrostática.
Mas débiles que las fuerzas ion-dipolo
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares3. Fuerzas de dispersión de London
No puede existir fuerzas dipolo entre moléculas y átomos no polares.
Sin embargo, el movimiento de los electrones en un átomo o molécula puede crear un momento dipolar instantáneo.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares3. Fuerzas de dispersión de London
El tamaño y la forma de las moléculas y átomos influye en las fuerzas de dispersión.
Un mayor tamaño (PM) está ligado a un mayor número de e-, por tanto una mayor carga en la molécula que genera un mayor momento dipolar instantáneo.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares3. Fuerzas de dispersión de London
Puntos de ebullición de las moléculas de los halógenos (X2)
PM (uma)
38.0
71.0
159.8
253.8
420
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares3. Fuerzas de dispersión de London
Si la forma de una molécula favorece una mayor superficie de contacto entre moléculas, esto generará una mayor fuerza de atracción (Ej. C5H12).
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares4. Puentes de Hidrogeno
Si consideramos el punto de ebullición del agua, notaremos que es una excepción a la regla de las fuerzas de dispersión.
Lo que mantiene con mas fuerza la unión entre las moléculas del agua es resultado de los puentes de H.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares4. Puentes de Hidrogeno
Los puentes de hidrogeno son una atracción entre el átomo de H de un enlace polar (F,O y N), y un par de electrones no compartidos de un ión o átomo pequeño cercano (F, O, N)
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares4. Puentes de Hidrogeno
Las moléculas de agua en estado sólido y gaseoso.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Fuerzas intermoleculares
Cómo reconocer las fuerzas intermoleculares que rigen entre las moléculas?
La viscosidad es la resistencia a fluir que presenta un líquido.
La unidad de viscosidad es el poise.
Otra unidad de viscosidad es la empleada por la Sociedad de Ingenieros Automovilísticos (SAE).
Mientras mayor el número SAE, más viscoso el aceite.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
1. Viscosidad
Las moléculas de agua en la superficie están bajo una fuerza neta que hala de ellas, esto hace que formen una “piel” en la superficie.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
2. Tensión superficial
Estas fuerzas intermoleculares pueden dividirse en fuerzas de cohesión y de adhesión.
Las fuerzas de adhesión permiten la acción capilar.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
2. Tensión superficial
Calor o entalpía de fusión◦ Hfus (kJ/mol)
Calor o entalpía de vaporización◦ Hvap (kJ/mol)
Otros cambios◦ Calor específico◦ J/g.K
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Cambios de energía
Estos cambios de energía responden a la Ley de Hess:
◦ “Si una reacción se efectúa en un serie de pasos, H será igual a la suma de los cambios de entalpía para los pasos individuales”
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Cambios de energía
Calcule el cambio de entalpia para la conversión de 1 mol de hielo a 25°C en vapor de agua a 125°C (1 atm).◦ Calores específicos:
Hielo, 2.09 J/g.K Agua, 4.18 J/g.K Vapor, 1.84 J/g.K
◦ Hfus, 6.01 kJ/mol
◦ Hvap, 40.67 kJ/mol
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Cambios de energía
Los gases pueden ser convertidos a líquidos mediante el incremento de la presión a una temperatura dada.
Sin embargo, el incremento de la temperatura aumenta la energía cinética entre las moléculas, dificultando la condensación.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Temperatura y presión crítica
La temperatura crítica de una sustancia es la temperatura sobre la cual, independientemente de la presión, el vapor no puede ser condensado.
La presión necesaria para licuar el gas a su temperatura crítica es la presión critica.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Temperatura y presión crítica
Presión critica de algunas sustancias.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Temperatura y presión crítica
Sustancia Presión crítica (atm)
NH3 111.5
O2 49.7
CO2 73.0
H2O 217.7
La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por su vapor cuando los estados líquido y gaseoso están en equilibrio dinámico.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
La presión de vapor a nivel molecular
Las sustancias con presión de vapor elevada (gasolina) se evaporan rápidamente.
Es decir, es volátil.
Un incremento en la temperatura aumenta la presión de vapor.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Volatilidad, presión de vapor y temperatura
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Diagramas de fase El diagrama de fase
nos permite conocer la fase en la que una sustancia se encuentra, a una presión y temperatura dada.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
La ecuación de Clausius-Clapeyron La relación Presión de vapor
versus temperatura de una sustancia puede ser expresada por la siguiente ecuación:
◦ donde
◦ P= presión de vapor◦ Hvap = Calor de vaporización
◦ R = Constante de los gases (8.314 J/mol.K)◦ T= Temperatura absoluta◦ C= Constante
CRT
HP vap
ln
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
La ecuación de Clausius-Clapeyron De la ecuación de la
recta…
Podemos decir…C
TR
HP vap
1ln
CRT
HP vap
ln
pendienteR
H vap
RpendienteH vap
bmxy
Cuando sus componentes (moléculas, iones o átomos) se ordenan en disposiciones bien definidas, el sólido formado se conoce como sólido cristalino.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
1. Sólidos cristalinos
Cuando las partículas que constituyen un sólido no presentan una estructura ordenada, éste se conoce como sólido amorfo.
Este tipo de sólidos no se funden a una temperatura específica.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
1. Sólidos amorfos
El ordenamiento de las entidades que forman un sólido cristalino, permite representarlos con una matriz tridimensional.
Esta matriz es conocida como red cristalina.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Red cristalina
Celda unitaria
Punto de red
Las unidades que conforman los sólidos tienden a empaquetarse de tal manera de aumentar al máximo la fuerza de atracción entre ellas (a).
Esto da lugar a varios tipos de empaquetamiento:◦ E. compacto hexagonal (b).
ABAB
◦ E. compacto cúbico (c). ABCA
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Empaquetamiento
Basados en el tipo de empaquetamiento que tiene un sólido cristalino, es posible definir sus celdas unitarias.
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Celdas unitarias
Celda unitaria
Punto de red
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Celdas unitarias cúbicas
Dr. Luis Dominguez - 2008 II
Celdas unitarias cúbicas Ejercicio:
◦ La densidad del aluminio (Al) es 2.702 g/cm3 y cristaliza en una red cúbica centrada en las caras. Proceda a calcular la longitud de una arista de la celda elemental del referido metal.
Peso atómico del Al igual a 27 g/mol; NA (número de Avogadro) = 1 mol = 6.022 x 10+23 átomos
3
23
3
...4..1
1.1002.6
271702.2
cmuXXXc
atuc
xmol
atxx
gmol
xcm
g
....1 33
ucXcm
uXXXXccm
Volumen
o
XXXXXXcmXcm 3 3 Con esta información, cual será el radio del átomo de Al?