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3/14/2012

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Líquidos, sólidos y fuerzasintermoleculares

Adaptado por:

intermoleculares

Copyright 2011 Pearson Education, Inc.

Ileana Nieves Martínez

Propiedades de las tres fases de la materia

Estado Forma Volumen DensidadSólido definida definido alta No No Bien fuerteLíquido indefinida ~alta No Si intermediodefinido


• definidodefinido = mantiene su forma cuando ocupa un envase

• IndefinidoIndefinido = adquiere la forma del envase

2Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Gas indefinida indefinido baja Si Si débil

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Teoría Cinético Molecular(EC) (EC) vsvs (FA) (FA)

• El estado del material depende de dos factores:1 La cantidad de energía cinética (EC)(EC) que poseen las1. La cantidad de energía cinética (EC) (EC) que poseen las

partículas2. El grado de las fuerzas de atracción (FA) (FA) entre las

partículas

• Estos dos factores compitencompiten el uno con el otro


pp


Estados o fases y grados de libertad (FF)•• Gas Gas (tras, (tras, rotrot, , vibvib))Las moléculas con completa libertad de movimientoEC >>> FAEC >>> FA

•• Sólido Sólido ((vibvib))Moléculas están ancladas, no se mueven librementeVibranECEC << FAFA

•• LíquidoLíquido (( tt ibib))


•• Líquido Líquido ((rotrot, , vibvib))Moléculas con libertad limitada – se mueven dentro de

la estructura del líquidoEC >> FAEC >> FA, pero no es suficiente para escapar


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Resumen de las fuerzas débiles o de van der Waals

Tipo de fuerza Fuerzas de dispersióndispersión DipoloDipolo

Sutancia que la exhibe

Moléculas no polares Moléculas covalentespolaresexhibe polares

Origen de la fuerza

FluctuacionesFluctuaciones eléctricaseléctricasdébiles que destruyen la simetría esférica de los campos eléctricos que rodeana los átomos

AtracciónAtracción eléctricaeléctrica entre los dipolos, como resultadode los enlaces polares

Propiedadesdebidas a la

Tf y Tv bajos Tf y Tv más altos que lasmoléculas no polares de


debidas a la fuerza

moléculas no polares de tamaño similar

100°C - 600°C

Ejemplos Cl2, CH4, N2, O2, F2, Br2, He, Ar ICl, SO2, BiBr3, AlI3, SeO3

Tro: Chemistry: A Molecular Approach 5

Resumen (cont.)• P-HSon laslas másmás fuertesfuertes de las fuerzas intermoleculares en

sustanciassustancias puraspuras

S b lé l d d H tá di t tSe observan en moléculas donde H está directamenteenlazado a OO, NN, o FFEjemplo HF

• I–D (ión dipolo):Presentes en mezclasmezclas de compuestos iónicos con

moléculasmoléculas polarespolares.


o écu aso écu as po a espo a es

Son laslas másmás fuertesfuertes de las estudiadas

Son importantes especialmente para compuestos iónicosen soluciones acuosas


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Copyright 2011 Pearson Education, Inc.7Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Agua – Substancia Extraordinaria• Es líquida a temperatura de salónLa mayoría de las sustancias con masa molar similar son

gases a temperatura de salón NH CHe.g. NH3, CH4

Se debe a la presencia de P-H entre moléculas

• Es un disolvente excelente– disuelve muchas sustancias iónicas y polaresSe debe a su alto momento dipolar ()Muchas moléculas no polares pequeñas tienen cierta


Muchas moléculas no-polares pequeñas tienen cierta solubilidad en aguae.g. O2, CO2


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Agua – Substancia Extraordinaria• Tiene capacidad calórica alta a pesar de ser

sustancia molecularTiene efecto moderado en el clima de regiones costeras

• Se expande cuando se congela a 1 atmAproximadamente 9%El hielo es menos denso que agua líquida


Sólidos


Propiedades &

Estructura

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

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Resumen de celdas unitariasSistemaSistema

cristalinocristalinoCeldasCeldas unitariasunitarias

CúbicoCúbico Simple, Simple, centradacentrada en el en el cuerpocuerpo (BCC),(BCC), centradacentrada en la en la caracara (FCC)(FCC)

Tetragonal Simple, centrada en el cuerpo

Ortorómbico Simple, centrada en la cara sencilla, centrada en el cuerpo, centrada en la cara

Monoclínico Simple, centrada en la cara sencilla

Triclínico Simple


Triclínico Simple

Trigonal Simple

Hexagonal Simple



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•• MolecularesMoleculares - se componen de moléculas

Clasificación de Sólidos cristalinos

•• IónicosIónicos se componen de iones

•• AtómicosAtómicos se componen de átomosNoNo--enlazantesenlazantes unidos por FDFD

MetalicoMetalico unidos por enlace metálicosenlace metálicos


MetalicoMetalico unidos por enlace metálicosenlace metálicos

Red covalente Red covalente unidos por enlaces covalentesenlaces covalentes



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Las características de los cristales

Tipo de i t l

Enlace Tf, °C Ejemploscristal

Iónico Fuerzaselectrostáticas

300 - 1000 NaCl, LiBr

Molecular Fuerzas de Van de Waals

-260 - 400 He, C6H6


Metálico Electronesdelocalizados

100- 3500 Na, W

Macromolecular Covalentes 2000 - 3000 C, Si


Enlace Metálico

• Átomos de metales liberan sus ee-- de valencia

• Catión Metálico “islas” en un “mar” fijo de electrones en movimiento

e-

e- e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + +


e e e e e e e e+ + + + + + + + +


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Práctica – escoja el sólido de cada par con el punto de fusión más alto

a) KCl iónico SCl2 molecular

b) C(s, grafito) red cov S8 molecular

c) Kr atómico K metálico

a) KCl SCl2

b) C(s, grafito) S8

c) Kr K


d) SrCl2 iónico SiO2 (s, quarzo) red cov.d) SrCl2 SiO2 (s, cuarzo)


Soluciones

Adaptado por:


Ileana Nieves Ileana Nieves MartínezMartínez

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Soluciones• Mezclas Homogéneasej: aire y agua de mar

•• SolutoSolutoComponente en menormenor cantidad que puede cambiar de

fase

•• DisolventeDisolventeComponente en mayormayor cantidad que mantiene su estado

o fase


• La naturaleza tiende a mezclas espontáneamente la mezclamezcla uniformeuniforme se favorece energéticamente

19Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/

Ejemplo de solucionesSoluto Disolvente Ejemplo

Gas Gas Aire (O2 en N2)

Gas Líquido Club soda (CO2 en H2O)

Gas Sólido Convertidor catalítico (Co ads. en Pt)

Líquido Gas Vapor de agua en aire

Líquido Líquido Vodka (alcohol etílico en agua)

Líquido Sólido AmalgamasAmalgamas dentales (Hg en Ag)

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Sólido Gas Naftaleno en aire

Sólido Líquido Agua de mar

Sólido Sólido Acero y otras aleacionesaleaciones (Zn en Cu)

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Atracciones Intermoleculares

E t f d t ib i d l f ió d lEstas fuerzas pueden contribuir o pueden oponerse a la formación de la solución

Dispersión D-D P-H I-D

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Interacciones Relativas y la Formación de Soluciones

SS--D > SD > S--S + DS + D--DD SíSí

* Dependerá de la compensación por el aumento

SS--D = SD = S--S + DS + D--DD SíSíSS--D < SD < S--S + DS + D--DD Tal Tal vezvez**


en la entropía de mezcla.


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Clasificación de DisolventesDisolventeDisolvente ClaseClase CaracterístiCaracterísticaca

estructuralestructural

Agua (H2O) polar O-H

Alcohol metílico (CH3OH) Polar O-H

Alcohol etílico (C2H5OH) Polar O-H

Acetona (C3H6O) Polar C=O

Tolueno (C7H8) No-Polar C-C & C-H

hidrofílicos


Hexano (C6H14) No-Polar C-C & C-H

Dietlil éter C4H10O) No-Polar C-C, C-H & C-O

Tetracloruro de Carbono (CCl4) No-Polar C-Cl (polar), pero simétrica

hidrofóbicos

Estos alcoholes tienen un grupo OH polar y una parte CH no-polar.

Práctica – Explique las tendencias de solubilidadobservadas en la tabla a continuación

CHn no polar.

Hacia abajo en la tabla la parte no polar se hace más grande, pero la cantidad de OH se queda igual.

S l l bilid d

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Se espera que la solubilidad en agua (disolvente polar) disminuya y la hexano(disolvente no-polar) aumente, como ocurre

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/

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Factores Energéticos de Formación de Solución: la Entalpía de Solución, Hsoln

• Para hacer una solución se debe:Sobrepasar FA SS--SS,HH l tl t es endotérmicoendotérmicoHHsolutosoluto es endotérmicoendotérmico..

Sobrepasar algunas FA DD--DDHHdisolventedisolvente es endotérmicoendotérmico..

Formar nuevas interacciones entre SS--DDHHmezclamezcla es exotérmicoexotérmico

• El H total H total de solución depende de los tres procesos


p pHHsol’nsol’n = = HHsolutosoluto + + HHdisolventedisolvente + + HHmezclamezcla

HHsol’nsol’n = = HHhidrataciónhidratación -- HHredred cristalinacristalina


Límite de Solubilidad• Solución saturada: alcanza equilibrioequilibrio dinámicodinámico entre soltuto y disolvente

Si añade más soluto no se disolverá

La concetración de saturación depende de la temperaturatemperatura(y de la presión para gases)

• Solución insaturada: tiene menosmenos solutosoluto que la concentración de saturación.


Por lo tanto se puede disolver más soluto a esta temperatura

• Solución sobresaturadaTiene másmás solutosoluto que la concentración de saturación


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50 g KNO3 in 100 g H2O a 34 ºC

saturada

Práctica – Decida si cada una de las soluciones a continuación está saturada, insaturada, o

sobresaturadaSolubilidad de algunas sales en agua

gua



insaturada

sobresaturada

Sol

ub

ilid

ad ,

g sa

l/10

0 g

de

ag


100 g NH4Cl in 200 g H2O a 70 ºCinsaturada

100 g NH4Cl in 150 g H2O a 50 ºCsobresaturada


Temperatura, °C


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Ejemplo 12.4a: Para una solución preparada mezclando 17.2 g de C2H6O2 con 0.500 kg de H2O y volumen de 515 mL, calcule:

1)1) MolaridadMolaridad

2)2) MolalidadMolalidad

3)3) PorPor cientociento porpor pesopeso

4)4) FracciónFracción molar molar

5)5) PorPor cientociento porpor molmol


n g

V

Ms

s

solutosolutog n

VD

disolventedisolvente

g g ll

MD

xx

mm

Vsolnsoln

V V solnsoln

% m/m% m/m

% V/V% V/V

soln


M= m/VM= m/V

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Cinética Química

RapidezRapidez

distancia

tiemporapidez


AdaptadoAdaptado porpor::Ileana Nieves Ileana Nieves MartínezMartínez

Rapidez de Reacción y estequiometría• Coeficientes de la ecuación balanceada

2SO2 (g) + O2 (g) 22 SO3(g)

• 10 10 0• 8 9 28 9 2• 6 8 4• # moles de O2 = múltiplo # moles de SO2 y SO3

Por cada 1 mol de O2 consumido, se consumirán 2 moles de SO2 y se producirán 2 moles de SO3

Entonces la rapidez será mayor para SO2 y SO3

C O SO SO


2 2 31 1 1

2 2i

C O SO SOr

t t t t

2 2 312

i

C O SO SOr

t t t t

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Rapidez Promedio• Es el cambio en concentración en cualquier

periodo de tiempoUna aproximación lineal de una curva

Mi t l i t l d ti d í á dMientras mayor el intervalo de tiempo, se desvía más de la rapidez instantanea.

• Es el cambio en concentración en un tiempo en particularPendientePendiente (m)(m) de la tangente en un punto de la curva

Rapidez Instantánea


PendientePendiente (m)(m) de la tangente en un punto de la curva

Primera derivada de una funciónPara los fanáticos de cálculo


Interpretación de datos cinéticos

• Reacciones IrreversiblesInterpretación GráficaGráfica [C] [P]

t

[R]


Interpretación numéricanuméricaMétodo Diferencial de Van’t Hoff

Método Aislación de Ostwald

Método de Integración

t

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Interpretación de datos cinéticos

• Reacciones IrreversiblesInterpretación GráficaGráfica [C] [P]

t

[R]


Interpretación numéricanuméricaMétodo Diferencial de Van’t Hoff

Método Aislación de Ostwald

Método de Integración

t

Interpretación de datos cinéticos• Método diferencial de Van’t Hoff: Varios experimentos

nCr k C

log log logr k n C

0 00

0 1 0 01 1

0 2 0 0

nn

n

r k Ct

r k C C

r k C C

00 1 1

0 2 0 2

log logCr

nr C

0 0log log logr k n C


0 2 0 02 2

2

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Determinar la Ley de Rapidez de múltiples componentes

• Cambiar la [C]0 de un reactivo a la vez.Método de aislaciónaislación de Ostwald:Método de aislaciónaislación de Ostwald:

0

a b cdAr k A B C

dt

0 1 1 1 1

a b c

o o o

a b c

k A B Cr

1

a

oA


0 2 2 1 1

a b c

o o or k A B C 2oA

Resumen: Cero orden

• r = k[A]0 = kRapidez de reacción constante

• [A] = −kt + [A]0

• Gráfica de [A] vs. tiempo es linea rectapendiente= m = −k (M/tiempo) Intercepto en y = b = [A]0


• t ½ = [A0]/2k


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Resumen: Orden uno

• r = k[A]1 = k[A]

• ln [A] = −kt + ln [A]0ln [A] kt + ln [A]0

• Gráfica de ln [A] vs. tiempo es linea rectapendiente= m = −k (tiempo-1) Intercepto en y = b = ln [A]0


• t ½ = ln 2/ k = 0.693/kEl tiempo de vida es una constante

Resumen: Orden dos

• r = k[A]2

• 1/[A] = kt + 1/[A]0 = [A]-1 = kt + [A0]-1 1/[A] kt + 1/[A]0 [A] kt + [A0]

• Gráfica de 1/[A] vs. tiempo es linea rectapendiente= m = k (M-1 tiempo-1) Intercepto en y = b = 1/[A]0


• t ½ = 1/k[A]0

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• k(T)

• Ecuación de Svante Arrhenius:donde TT es la temperatura en Kelvin

Efecto de Temperatura en la rapidez

RR - constanteconstante de los de los gases: gases: 8.314 J/(mol•K)

donde TT es la temperatura en Kelvin

AA - factor de factor de frecuenciafrecuencia, = r del reactivo para alcanzar Ea

EEaa - energíaenergía de de activaciónactivación, necesaria para comenzar la ió


reacción


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EnergíaEnergía de de ActivaciónActivación

Energía de Activación

EnergíaEnergía de de ReactivosReactivos

ActivaciónE

ner

gía

En

ergí

a


EnergíaEnergía de de ProductosProductos

ProgresoProgreso de de reacciónreacción

Distribución de energía termal

A medida que la T aumenta, la fracción de moléculas con energía suficiente para cruzar

la barrera de EP aumenta

Energía de activación

nd

e la

s


Energía

Fra

cció

mol

écu

l

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Gráfica de Arrhenius• Ecuación de Arrhenius logarítmica (lineal):

y = mx + bdonde y = ln(k) y x = (1/T)

Una gráfica de lnln((kk) vs. (1/T) vs. (1/T) es una linealinea rectarecta


Una gráfica de lnln((kk) vs. (1/T) vs. (1/T) es una linealinea rectarecta

(−8.314 J/mol·K)(m) = Ea, (en Julios)

eb = A (unidades de k)


Ecuación de Arrhenius:Solución con dos puntos

• Se usa la siguiente forma de la ecuación:

1 1k Ea 2

1 2 1

1 1ln

k Ea

k R T T


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Teoría de Colisiones y el Factor de Frecuencia de la ecuación de Arrhenius

• A, factor de frecuenciaDos términosDos términosOrientación (pp)

Frecuencia de choques (zz)


Mecanismos de Reacción• Serie de pasospasos elementaleselementales donde 1, 2, o hasta 3

moléculas chocan sin que ocurran eventosadicionales.Numero de moléculas envueltas en la reacción esNumero de moléculas envueltas en la reacción es

molecularidadmolecularidadUno Uno –– unimolecularunimolecularDos Dos –– bimolecularbimolecularTresTres –– tri o tri o termoleculartermolecular

• Tiene que responder a la ley de rapidez.


y

• Se determina teóricamenteteóricamente


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Ley de Rapidez para pasos elementales


Ejemplo

1. 2 NO(g) N2O2(g) rápido

2. H2(g) + N2O2(g) H2O(g) + N2O(g) lento r = k2[H2][N2O2]k1

k−1

3. H2(g) + N2O(g) H2O(g) + N2(g) rápido

2 H2(g) + 2 NO(g) 2 H2O(g) + N2(g) robs = k [H2][NO]2


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Catálisis• Catálisis homogenea ocurren en la misma

fase que los reactivosCl(g) en la destrucción de O3(g)(g) 3(g)

• Catálisis heterogenea está en fase diferente a la de los reactivosConvertidor catalítico sólido en el sistema de

desperdicios en carros


Práctica – MecanismoDetermine la reacción neta, el paso determinante , la leyde rapidez e identifiqueidentifique todos los catalíticoscatalíticos e intermediariosintermediarios en el mecanismo a continuación:

HQ2R2 Q2R + HR netaR− es un catalíticoQ R − e un intermediario

1. HQ2R2 + R− Q2R2− + HR Rápido

2. Q2R2− Q2R + R− Lento


Q2R2 e un intermediarioPaso (2) es el determinanter = k[Q2R2

−] = k[HQ2R2][R−]


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Enlace Enzima–Sustrato:Mecanismo llave candado


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