ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA
Generalidades
Gas Ideal o perfecto
Es cualquier sustancia que cumple con las leyes de Boyle, Charles y Gay Lussac y no sufre alteraciones en su estructura química por cambios de presión y temperatura.
Teoría Cinética
La teoría cinética de los gases es una teoría física que explica el comportamiento y propiedades macroscópicas de los gases a partir de una descripción estadística de los procesos moleculares microscópicos. La teoría cinética se desarrolló con base en los estudios de físicos como Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell a finales del siglo XIX.
Presión
Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie.
Equivalencias de Presiones
1 bar = 100 000 Pa = 1000 hPa = 100 kPa = 100 kN/m2 = 1,02 kg/cm2
1 atm = 1,01325 bares ≈ 1 bar
1 bar = 14,7 libras/pulgada2 (lb/in2)
1 atm = 76 cm Hg
Temperatura
Es la medida del valor promedio de la energía cinética de un cuerpo cualquiera expresado en kelvin (ºK).
Escalas de Temperatura con Referencia al Agua
Cuadro
Escalas de temperatura
°F = (9/5°C)+32 | °C = 5/9 (°F-32) | R = 460 + °F |
K = 273 + °C | °C = K – 273 | °F= R – 460 |
R = 9/5 K |
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ESTADO GASEOSO
Características
Fuerza de expansión > fuerza de cohesión
Propiedades
1. Se adaptan a la forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y toma la forma de su nuevo recipiente.
2. Se dejan comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una presión.
3. Se difunden fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.
4. Se dilatan, la energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la temperatura aplicada.
Leyes que rigen el comportamiento físico de los gases
Volumen
es una magnitud definida como el espacio ocupado por un cuerpo
Volumen Molar
El volumen ocupado por una molécula de cualquier gas, medido en condiciones normales y su valor es igual a 22.4 litros.
Hipotesis de avogadro
En volúmenes iguales de todos los gases, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, existen igual número de moléculas.
Número de Avogadro
Cantidad de entidades elementales (átomos, electrones, iones, moléculas) que existen en un mol de cualquier sustancia. Veamos qué es esto.
Ley de Boyle – Mariotte (isotérmica)
“El volumen ocupado por una determinada masa gaseosa a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión”
P1V1=P2V2
Ley de Charles ( Isobarica)
“El volumen ocupado por una determinada masa gaseosa a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta”.
V1/T1= V27T2
Ley de Gay lussac (Isocórica)
“La presión de un gas que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura”
P1/TI=P2/T2
Ecuación General de los Gases ideales
Es una fórmula que reúne las tres leyes ( Boyle, Charles y Gay Lussac), con esta ecuación se puede preveer lo que acontece al variar el volumen, la presión y la temperatura.
P1V1/T1=P2V2/T2
Ley de Dalton o de las Presiones Parciales
“La presión parcial de un gas en una mezcla, es la presión que el gas ejercería si ocupara sólo, el volumen total del recipiente”.
Por lo dicho, se deduce que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los componentes de la mezcla.
Pt = P1 + P2 + P3 +……… Pn
Problema
Una mezcla de gases a 760 torr contiene 65% de N2, 15% de O2 y 20% de CO2, cual es la presión parcial de cada gas en torr.
Solución
DATOS | FÓRMULAS | CÁLCULOS Y RESULTADOS |
Pt= 760 torr N2= 65% O2=15% CO2= 20% PN2=? | Pt=P1+P2+P3 | PN2= 760 torr(65/100)=494torr PO2=760torr(15/100)=114 torr PCO2= 760 torr (20/100)=152 torr |
Ley de Grahamo de la Difusión Gaseoso
La difusión es el proceso por el cual una substancia se distribuye uniformemente en el espacio que la encierra o en el medio en que se encuentra. Por ejemplo: si se conectan dos tanques conteniendo el mismo gas a diferentes presiones, en corto tiempo la presión es igual en ambos tanques. También si se introduce una pequeña cantidad de gas A en un extremo de un tanque cerrado que contiene otro gas B, rápidamente el gas A se distribuirá uniformemente por todo el tanque. La difusión es una consecuencia del movimiento continuo y elástico de las moléculas gaseosas. Gases diferentes tienen distintas velocidades de difusión. Para obtener información cuantitativa sobre las velocidades de difusión se han hecho muchas determinaciones. En una técnica el gas se deja pasar por orificios pequeños a un espacio totalmente vacío; la distribución en estas condiciones se llama efusión y la velocidad de las moléculas es igual que en la difusión. Los resultados son expresados por la ley de Graham. "La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su densidad."
ESTADO LÍQUIDO
Caracteristicas
Fuerza de expansión = Fuerza de cohesión
Propiedades
Los espacios intermoleculares en los líquidos no existen.
<! Las moléculas poseen movimientos, pero mas restringidos que en los gases
<! Son incomprensibles, es difícil disminuir el volumen por presiones externas.
<! Poseen volumen fijo, no variar al cambiar la capacidad del recipiente.
Carecen de forma definida, adquieren la forma del recipiente que los contiene.
Son medianamente difusibles.
Evaporación o Vaporización
Todos los líquidos a cualquier temperatura tienden a pasar a la fase de vapor, esta propiedad se denomina evaporación o vaporización.
Este fenómeno se explica porque las moléculas en los líquidos están en contacto y moviendose limitadamente a determinadas velocidades.
Las moléculas de la superficie que no están sometidas a las fuerzas de atracción, en toda dirección ganan energía cinética para evaporar y pasar a la fase gaseosa (evaporación), la velocidad de evaporación depende de:
<! Temperatura
<! Presión
<! Superficie libre del líquido
<! Renovación de la atmosfera sobre la superficie libre del líquido
<! Naturaleza química del líquido
Presión de Vapor (Pv)
Presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor.
Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.
Punto de ebullición (Peb)
Es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a gaseoso, es decir se ebulle. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido. En [esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.
Cuadro
Presión y Punto de ebullición
CIUDAD | PRESIÓN | PUNTO DE EBULLICIÓN (°C) |
Quito | 540 mm Hg | 91 |
Guayaquil | 760 mmHg | 100 |
Punto de ebullición normal
Temperatura a la que la presión de vapor de un líquido alcanza 760 mm. de mercurio.
Calor de Vaporización
<! Calor Específico
El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). En general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.[1] [2] Se la representa con la letra (minúscula). Calor de Vaporización
Puntos de Fusión y Condensación
Punto de Fusión
Al efecto de fundir un metal se le llama fusión (no podemos confundirlo con el punto de fusión). También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir una sustancia sólida, congelada o pastosa, en líquida.
Punto de Congelación
El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la que dicho líquido se solidifica debido a una reducción de temperatura.
< Calor de Fusión
Es la cantidad de calor necesario para convertir una cantidad determinada de un sólido a líquido en el punto de congelación (cantidad de energía necesaria para el cambio de estado en el punto de fusión).
Cuadro
Calor de Fusión de varios sólidos y sus puntos de Fusión
SÓLIDO | PUNTOS DE FUSIÓN | CALOR DE FUSIÓN |
Cal/g | Kcal/mol | KJ/mol |
NaCl | 804 | 124 | 7.25 | 30.30 |
H2O | 0 | 80 | 1.44 | 6.02 |
C2H5OH | -117 | 24.9 | 1.15 | 4.81 |
CCl4 | -23 | 4.2 | 0.69 | 2.68 |
Transformaciones de calor durante el cambio de un estado a otro
Explicación
<! Se necesita cierta cantidad de energía para convertir una sustancia del estado sólido a líquido, en el punto de congelación (calor de fusión).
<! Se necesita cierta cantidad de calor para elevar 1°C una cantidad de sustancia (calor específico)
<! Se necesita cierta cantidad de calor para convertir una cantidad de líquido a gas en el punto de ebullición (calor de vaporización).
Destilación
La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición (temperaturas de ebullición) de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varia en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.
Viscosidad
Es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.
Tensión Superficial
Las fuerzas de atracción y de repulsión intermolecular afectan a propiedades de la materia como el punto de ebullición, de fusión, el calor de vaporización y la tensión superficial. Dentro de un líquido, alrededor de una molécula actúan atracciones simétricas pero en la superficie, una molécula se encuentra sólo parcialmente rodeada por moléculas y en consecuencia es atraída hacia adentro del líquido por las moléculas que la rodean. Esta fuerza de atracción tiende a arrastrar a las moléculas de la superficie hacia el interior del líquido (tensión superficial), y al hacerlo el líquido se comporta como si estuviera rodeado por una membrana invisible.
Condensación.
La condensación es un proceso de cambio de fase a través del cual el vapor de agua se convierte en líquido a causa del enfriamiento del aire. Cuando el aire caliente se refresca, el agua sale del vapor que está en el agua caliente y se condensa en forma líquida.
Miscibilidad
Capacidad de los cuerpos (líquidos) para mezclarse entre si (mezclas homogéneas).
Esto significa que se disuelve el uno en el otro líquido. Es posible mezclar en cualquier proporción, y permanecen mezclados sin separarse en capas. Por ejemplo el agua y el alcohol.
Inmiscibilidad
Capacidad de los cuerpos (líquidos) para no mezclarse entre sí (mezclas heterogéneas).
Cuando se agitan juntos, dos líquidos inmisibles forman una mezcla turbia que contienen gotas pequeñisimas de uno de ellos visiblemente suspendidas en el otro líquido, al dejar en reposo, los líquidos inmisibles se separan en dos capas distintas. Por ejemplo: el agua y el aceite.
ESTADO SÓLIDO
Caracteristicas
Fuerza de expansión < las Fuerzas de cohesión.
Propiedades
<! Carecen de espacios intermoleculares, sus moléculas están muy unidas
<! Las moléculas no poseen movimiento
<! Son incompresibles, no disminuye el volumen por presiones externas
<! Poseen volumen fijo
<! Poseen forma definida
<! Los sólidos se difunden o se mezclan con gran dificultad
Clasificación de los sólidos
Los sólidos se clasifican en dos grandes grupos:
1.- Sólidos Amorfos
2.- Sólidos Cristalinos
Sólido Amorfo
Un sólido amorfo es un tipo de solido que no posee una forma externa definida ni distribuida ordenada de las moléculas en su estructura interna.
Algunos sólidos amorfos se componen de moléculas grandes y complejas, muchos otros son moléculas que no se pueden aplicar bien. Entre los sólidos amorfos más conocidos están el hule y el vidrio.
La intensidad de las fuerzas intermoleculares de un sólido amorfo es variable, por lo que funden a una temperatura especifica, sino se reblandecen dentro de cierto inventario de temperatura.
Sólidos Cristalinos
Llamados también sólidos auténticos, son aquellos cuerpos que se presentan con una forma externa definida y una distribución molecular regular y perfectamente distribuida.
Los sólidos cristalinos se pueden identificar fácilmente porque:
1.- Se presentan en cristales definidos, visibles con o sin microscopio.
2.- Se funden a temperaturas definidas.
3.- pueden romperse más fácilmente en unas direcciones que en otras.
Cristal
Es un cristal es un sólido homogéneo que presenta una estructura interna ordenada de sus partículas reticulares, sean átomos, iones o moléculas.
Elementos de un cristal
Elementos morfologicos o reales
Elementos de simetría o imaginarios.
<! Elementos Morfológicos o Reales
Caras: superficies planas que limitan al cristal
Aristas: líneas formadas por la interacción de dos caras.
Vértices: Puntos que se forman en la intersección de dos o más caras.
Angulo diedro: ángulo formado por dos caras.
Angulo poliedro ó sólido: Ángulo formado por tres o mas caras.
<! Elementos de Simetría o imaginario
Centro de Simetría: Punto imaginario situado en el centro de la figura geométrica y divide en partes iguales todo elemento que pase por él.
Ejes de Simetría: Son rectas imaginarias que pasando por el centro de simetría pueden terminar en los vértices, en el centro de las caras o en la mitad de las aristas.
Plano de Simetría: Superficies planas que dividen en dos partes iguales al cristal.
Clasificación de los Cristales
Los sólidos cristalinos que existen en la naturaleza han sido reunidos en 32 figuras geométricas diferentes, los mismos que a su vez han sido clasificados en 6 grupos, las figuras semejantes o parecidas, por ejemplo: el tetraedro, octaedro, decaedro, dodecaedro, son agrupadas para formar el sistema cúbico o regular. La clasificación en 6 sistemas cristalográficos se basa en la longitud relativa de los ejes y en su inclinación de los mismos.
Sistemas Cristalográficos
El Sistema Regular: Comprende cristales con nueve planos de simetría y trece ejes, tres de ellos cuaternarios, cuatro ternarios y seis binarios. Hay muchos minerales que presentan cristales de este sistema, entre ellos la galena, ya mencionada, o la sal común y la fluorita, de las que se encuentran con frecuencia bellos grupos de cristales cúbicos, transparentes o traslúcidos, ora incoloros, ora teñidos de bellos matices. La pirita, mineral de hierro sumamente común, que a veces contiene algunas partículas de oro, cristaliza también en este sistema, formando cubos, dodecaedros pentagonales o combinaciones de ambas formas. El granate, ya sea transparente o ya opaco, tan pronto del color rojo característico como negro o amarillo, ofrece igualmente cristales del sistema regular, por lo general trapezoédricos o rombododecaédricos. El hermoso rubí, que también entra en este grupo, cristaliza, en cambio generalmente en octaedros.
Sistema Regular}
3 ejes cuaternarios
4 ejes ternarios
El Sistema Hexagonal: Se caracteriza por tener sus cristales siete planos de simetría, un eje senario y seis ejes binarios; sus formas holoédricas típicas son el prisma hexagonal, la pirámide hexagonal (que en realidad se compone de dos pirámides unidas por la base), y el prisma y la pirámide dihexagonales, estos últimos distintos de los primeros por presentar doble número de caras. El berilo, con sus estimadas variedades verde y azul pálida, respectivamente conocidas como esmeralda y aguamarina, forma cristales de este sistema, frecuentemente combinaciones de las diversas formas en él comprendidas. El agua cuando se solidifica constituyendo la nieve, cristaliza igualmente en este sistema, bajo el aspecto de cristalinos microscópicos hexagonales que se reúnen en diminutas maclas de las más variadas figuras, pero siempre hexagonales también. Sistema Hexagonal
1 eje senario
El Sistema Trigonal: Fue durante mucho tiempo incluido en el hexagonal, y sus formas pueden ciertamente ser consideradas como derivaciones meroédricas de aquél, pero todas ellas ofrecen un rasgo distintivo, cual es el presentar un eje de simetría ternario. Son cristales con las caras frecuentemente en forma de rombos, de trapecios o de triángulos escalenos. El cuarzo, tan común en la corteza terrestre, forma prismas pertenecientes a este sistema. La calcita o carbonato de calcio, uno de los minerales más conocidos por constituir los mármoles y las calizas, y que , cristalizada, se suele conocer como espato de Islandia, en este caso entra también en el sistema trigonal, adoptando la forma de romboedro o de escalenoedro. También cristalizan en este sistema las bellas turmalinas, cuyo nombre, derivado de "turamali", que es como les llaman en Ceilán, nos recuerda que de esta isla se llevaron por primera vez a Europa por los joyeros holandeses en el siglo XVIII. Si se corta al través un prisma de turmalina se ve que tiene sección triangular, lo que revela su condición hemiédrica.
Sistema Trigonal
1 eje ternario
El Sistema Tetragonal: Los cristales presentan cinco planos de simetría, un eje cuaternario y cuatro binarios, éstos perpendiculares a aquél. Se ha llamado también sistema cuadrático porque en sus formas más típicas, que son el prisma tetragonal y la pirámide tetragonal, cualquier sección paralela a los radios binarios es perfectamente cuadrada. El circón y su hermosa variedad roja llamamos jacinto, cristalizan en este sistema, así como la casiterita, de la que se extrae el estaño.
Sistema Tetragonal
1 eje cuaternario
El Sistema Rómbico: tiene tres planos de simetría solamente y también tres ejes, los tres binarios, desiguales y perpendiculares entre sí. Entre los minerales que cristalizan en este sistema figuran algunas tan conocidos como es azufre, que forma a veces cristales gigantes, la baritina, que se utiliza para preparar sales de bario, y el topacio del Brasil o falso topacio, simple variedad del cuarzo o cristal de roca, o con el topacio oriental, que es un corindón amarillo. Los aficionados a las joyas saben, sin embargo, que este último tiene generalmente más valor, simplemente por el hecho de ser menos abundante en la naturaleza que el topacio propiamente dicho. Para un entendido en cristalografía la diferencia entre estas diversas gemas homónimas es fácil, pues tanto el topacio oriental como el del Brasil cristalizan en el sistema trigonal y no en el Rómbico.
Sistema Rómbico
1 eje binario
El Sistema Monoclínico o Monosimétrico: Solamente posee un plano de simetría, así como un eje único, que es binario. A él pertenece el vulgarismo de yeso, que suele formar curiosas maclas, con frecuencia en punta de flecha. Cristaliza igualmente en este sistema el feldespato ortosa, mineral que, agregado al caolín o caolinita (también monoclínico), se utiliza en la fabricación de las porcelanas.
Sistema Monoclínico
1 eje binario
El Sistema Triclínico: Entran cristales sumamente asimétricos, como que carecen de planos y de ejes de simetría, y a él pertenecen unos cuantos minerales no muy conocidos de quien no es mineralogista, como la redonita y la labradorita.
Isomorfismo
Fenómeno por el cual dos o mas sustancias distintas cristalizan en el mismo sistema, por ejemplo: cloruro de sodio, por lo tanto son sustancias isomorfas.
Polimorfismo
Fenómeno por el cual la misma sustancia química puede cristalizarse en más de un sistema, por ejemplo: el carbono, cuando se encuentra como diamante, cristaliza en el sistema hexagona, por lo tanto es una sustancia dimorfa.
Transformación de los estados de la Materia
Fusión
Es el cambio de estado de sólido a líquido.
Evaporación
Es el cambio de estado de líquido a gas.
Condensación
Es el cambio de estado sólido a líquido, por pérdida o disminución de calor.
Solidificación
Es el cambio del estado líquido a sólido, por perdida o disminución de calor
Sublimación
Es el cambio de estado sólido a gaseoso en forma directa, por aumento o ganancia de calor, por ejemplo: hielo seco, alcanfor.
Retrosublimación
Es el cambio de estado gaseoso a sólido por disminución de calor.
Diagrama de Fases
Es la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
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