Química General

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Química General

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UNIVERSIDAD SAN SEBASTIAN

FACULTAD DE INGENIERIA Y TECNOLOGIA

QUIMICA

(INGE1012)

Dr. Andrés Soto Bubert

Correo: andresoto@vtr.net

Segundo semestre 2014

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UNIDAD 7

Segundo semestre 2014

Estado Líquido y

Diagramas de fase

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CONTENIDOS

7.1 Viscosidad y Tensión Superficial

7.2 Cambios de Estado: Curvas de Calentamiento,

Temperatura y Presión Críticas

7.3 Presión de Vapor: Ecuación de Clausius-Clapeyron

7.4 Punto de Ebullición

7.5 Punto de Solidificación

7.6 Diagramas de Fases: Punto Triple.

UNIDAD 7: ESTADO LÍQUIDO3

ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO

Líquidos Sólidos

No tienen forma definida, adoptan la forma

del recipiente que los contiene, excepto en la

superficie.

Tienen forma definida, resisten la

deformación.

Tienen volumen definido, sólo levemente

compresibles.Son generalmente incompresibles.

Alta densidad.Generalmente presentan densidad mayor que

los líquidos.

Son fluidos. No fluyen.

Difunden a través de otros líquidos.

Difunden muy lentamente a través de los

sólidos,si son presionados durante largo

tiempo.

Son racimos desordenados de partículas, muy

juntos. Presentan movimientos aleatorios en

las tres dimensiones.

Existe un arreglo ordenado de partículas, sólo

presentan movimiento vibracional, muy

juntas las unas a las otras.

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ESTADO LÍQUIDO Y SÓLIDO

Las partículas de los líquidos

tienen la suficiente energía

cinética para vencer parcialmente

las fuerzas de atracción que

existen entre ellas y son capaces

de deslizarse unas con respecto a

otras, de tal forma que el líquido

puede tomar la forma del

recipiente que lo contiene.

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VISCOSIDAD

Se define como la resistencia a

fluir que presenta un líquido y

está relacionada con las fuerzas

de atracción intermolecular y con

el tamaño y forma de las

partículas constituyentes.

Los aceites tienen una alta

viscosidad a temperatura

ambiente y la gasolina, por el

contrario, muy baja.

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VISCOSIDAD

GLICEROL

AGUA

7

Como el agua, forma puentes

de hidrógeno.

Tiene 3 grupos OH.

Su forma le permite

entrelazarse entre moléculas

más que deslizarse.

VISCOSIDAD8

AGUA GLICEROL

VISCOSIDAD

9

A medida que aumenta la temperatura las moléculas,

desde el punto de vista cinético, pueden moverse más

rápidamente, por lo tanto sus energías cinéticas son

capaces de vencer las atracciones intermoleculares.

Así se puede esperar que la viscosidad disminuya

conforme aumente la temperatura, en la medida que no

haya cambio en la composición.

VISCOSIDAD10

VISCOSIDAD

11

VISCOSIDAD

12

Las unidades SI de viscosidad son newton •segundo por

metro cuadrado

Unidades de Viscosidad: Poise

1 poise = 1 P = 1 [g/cm·s]

1 centipoise = 1 cP = 0,01 P

VISCOSIDAD

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TENSIÓN SUPERFICIAL

Las moléculas que están bajo la

superficie de un líquido están

influidas por las atracciones

intermoleculares que ejercen las

demás. Sin embargo, las que están

en la superficie, son atraídas hacia el

interior del líquido. En la situación

más estable la superficie o el área

superficial es mínima, razón por la

cual las gotas de líquido tienden a

tomar forma esférica.

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Es una medida de las fuerzas, dirigidas hacia el interior

del líquido, que deben ser vencidas a fin de expandir su

área superficial.

TENSIÓN SUPERFICIAL

15

Se define también como el

trabajo que se debe realizar

para traer suficientes

moléculas desde el interior

del fluido hacia la superficie.

La atracción entre moléculas

en la superficie se denomina

“tensión superficial”.

TENSIÓN SUPERFICIAL

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TENSIÓN SUPERFICIAL

17

“Los líquidos que tienen fuerzas intermoleculares grandes

también poseen tensiones superficiales altas”

TENSIÓN SUPERFICIAL

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CAMBIOS DE ESTADO

En estas transformaciones existe pérdida o necesidad de

energía (calor) en un sistema

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CAMBIOS DE ESTADO

Sólido-Líquido: El paso de sólido a líquido requiere de la

adición de energía, denominada “calor o entalpía de

fusión” (Hfus): energía requerida para derretir 1 mol de

sólido.

Líquido – Gas: El paso de líquido a gas requiere de la

adición de energía, denominada “calor o entalpía de

vaporización” (Hvap): energía requerida para vaporizar

1 mol de líquido.

Sólido-Gas: La energía necesaria para pasar

directamente de sólido a gas se llama “calor o entalpía de

sublimación”, Hsub. energía requerida para sublimar

1 mol de sólido.

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CAMBIOS DE ESTADO

En general se cumple que:

Hsub = Hfus + Hvap

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PRESIÓN DE VAPOR Y

ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON.

Las moléculas de la fase vapor no pueden escapar

cuando la vaporización ocurre en un recipiente cerrado. A

medida que las moléculas abandonan la fase líquida, más

moléculas de la fase gaseosa chocan con las paredes del

recipiente y con la superficie del líquido, de tal manera que

ocurre más condensación, la cual es responsable dela

formación de las gotitas de líquido que se adhieren a las

paredes del recipiente cuando se alcanza un equilibrio entre la

fase líquida y vapor.

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PRESIÓN DE VAPOR

La presión parcial de las moléculas de vapor sobre la superficie

de un líquido en equilibrio se llama presión de vapor del líquido.

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PRESIÓN DE VAPOR

Cuando un líquido se evapora, sus moléculas ejercen una

presión de vapor.

Espacio

vacío

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PRESIÓN DE VAPOR

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PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Los líquidos que se evaporan fácilmente son líquidos volátiles, y por lo

tanto tienen presiones de vapor relativamente altas.

PRESIÓN DE VAPOR

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Compuesto 0°C 25°C 50°C 75°C 100°C 125°C

agua 4,6 23,8 92,5 300 760 1741

benceno 27,1 94,4 271 644 1360

metanol 29,7 122 404 1126

dietil-éter 85 470 1325 2680 4859

PRESIÓN DE VAPOR DE ALGUNOS LÍQUIDOS (mm Hg)

A DISTINTAS TEMPERATURAS

PRESIÓN DE VAPOR

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ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON

donde T es la temperatura absoluta, Hvap es la entalpía

(calor) de vaporización y C es una constante.

Ecuación de tipo lineal:

28

ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON

29

Teniendo el calor de vaporización y P de un liquido a una

temperatura dada, es posible calcula la presión de vapor del

liquido a otra temperatura:

ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON

30

EJEMPLO: La presión de vapor del agua es 55,32 mm Hg a

40°C y 92,51 mm Hg a 50°C. Calcule el calor de vaporización

del agua.

Solución:

Aplicando la Ec. de Clausius-Clapeyron, en las condiciones 1 y

2, se tiene:

ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON

31

Respuesta: el calor de vaporización del agua es 4,32 KJ.

ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON

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Es la temperatura de ebullición del

líquido a la presión normal

(1atm =101325 Pa).

De este modo se explica que en las

regiones altas los líquidos hiervan a

temperaturas inferiores a la normal

o a las correspondientes a regiones

bajas.

PUNTO DE EBULLICIÓN

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Es la causa de la fabricación

y uso de las ollas a presión,

mediante las cuales se hace

hervir los líquidos a

temperaturas superiores a las

correspondientes al aire libre

para lograr una mejor y más

rápida cocción de los

alimentos. En las regiones

altas es indispensable el uso

de ollas a presión o de las

llamadas marmitas.

Si disminuye P disminuye Tebullición

PUNTO DE EBULLICIÓN

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TEMPERATURA Y PRESIÓN CRÍTICA

La licuación o licuefacción es el proceso de

transformación de un gas en líquido. Para lograr la

licuefacción de un gas es necesario comprimir, enfriar o

combinar ambos procedimientos.

Se llama temperatura crítica (TC) de un gas a la mayor

temperatura a la cual éste puede ser licuado por

compresión. Cada gas tiene su temperatura crítica

característica, y a temperaturas superiores a ésta es

imposible licuarlo, por fuertes que sean las presiones a

que se le someta.

La presión necesaria para licuar un gas a la temperatura

crítica se llama presión crítica (PC).

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TEMPERATURA Y PRESIÓN CRÍTICA

La existencia de Tc se explica de manera cualitativa: La

atracción intermolecular es una cantidad finita para cualquier

sustancia dada y es independiente de la temperatura. A

temperaturas inferiores a la Tc, esta fuerza es suficiente para

mantener unidas a las moléculas (presión apropiada) en un

líquido. Por sobre esa Tc, el movimiento molecular se vuelve

tan energético que las moléculas son capaces de liberarse de

esa atracción.

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Punto de Solidificación

La congelación es el proceso

de transformación de un

líquido en sólido, por

desprendimiento de calor, por

lo tanto es el proceso inverso a la

fusión. Para una misma presión,

la temperatura y el calor de

congelación de un determinado

líquido son respectivamente

iguales a la temperatura y al calor

de fusión del sólido

correspondiente.

Punto de solidificación, también conocido como punto de

congelación.

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Punto de Solidificación

Se define como la temperatura a la cual las fases líquida

y sólida coexisten en el equilibrio.

“El punto de congelación normal de una sustancia es la

temperatura a la cual una sustancia se solidifica (o se

congela) a 1 atm de presión”

El equilibrio líquido-solido más común es el que ocurre entre el

agua y el hielo.

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Punto de Solidificación

Variación de volumen con la congelación

El volumen de los líquidos que se congelan

experimenta el fenómeno contrario al del volumen de los

sólidos respectivos al fundirse, todos se contraen al

congelarse con excepción del agua, hierro y bismuto al

estado líquido, que se dilatan al transformarse en sólidos.

Esta circunstancia origina en el agua un fenómeno

llamado sobre-enfriamiento o sobre-fusión, que consiste en

que el agua puede mantenerse en estado líquido a

temperaturas inferiores a su punto de congelación al

aumentar convenientemente la presión que soporta.

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Punto de Solidificación

La fuerza de expansión que se desarrolla por la

congelación del agua puede ocasionar la ruptura de las

cañerías de distribución del agua potable en el invierno, si la

temperatura baja de 0º C, o, antiguamente, la ruptura de los

sellos del motor de un automóvil, por expansión del agua de

enfriamiento al congelarse. Para evitar esto se utilizaban

anticongelantes que, al agregarlos al agua del radiador,

permiten bajar la temperatura de congelación del agua como

vimos en propiedades coligativas del capítulo de fases

condensadas.

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CURVAS DE CALENTAMIENTO

Es un gráfico que relaciona la temperatura del sistema

(eje y) con la cantidad de energía agregada (eje x).

Cuando se alcanza

0° C, el hielo comienza

a fundirse. Pero tiene

que fundirse todo el

hielo (1 mol), por eso

la T no sube.

Luego, el calor

agregado hace subir la

T del líquido.

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CURVAS DE CALENTAMIENTO

Los segmentos AB, CD y

EF representan el

calentamiento de una sola

fase de una temperatura a

otra. La energía en este

caso se puede calcular

como:

Ecal = Cp · m · T

donde Cp es el calor específico del compuesto (ej: agua), m es

la masa que se calienta y T es el incremento de temperatura.

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CURVAS DE CALENTAMIENTO

Los segmentos BC y DE

representa la transformación

de una fase en otra (a

temperatura constante):

BC = Hfus

DE = Hvap

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DIAGRAMAS DE FASES

Diagrama de presión en función de la temperatura para los cambios

de fase del agua

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DIAGRAMAS DE FASES

En el diagrama de presión en función de la temperatura del

agua, la curva AT representa el estado de equilibrio entre

líquido y sólido, la curva TC representa el equilibrio entre

los estados líquido y gaseoso, y la curva BT representa

el equilibrio entre los estados sólido y gaseoso. Esta

última curva se llama curva de sublimación

Para cualquier par de valores P y T, situado dentro de una

de estas regiones, la sustancia sólo puede existir en un

estado, sea éste sólido, líquido o gaseoso.

A lo largo de cada curva, pueden coexistir dos fases,

mientras que únicamente en el punto triple pueden

coexistir las tres fases del agua.

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DIAGRAMAS DE FASES

La recta TC tiene pendiente negativa a diferencia de la

curva correspondiente a la mayoría de las sustancias, esto

se debe a la anomalía de la dilatación del agua, que

presenta una densidad menor en el sólido que en el líquido,

lo cual permite la vida de peces y otras criaturas bajo las

superficies congeladas de los lagos. Esta anomalía también

la presentan el hierro y el bismuto.

El punto C corresponde a la Temperatura Crítica. En el

gráfico están dados los valores correspondientes de

temperatura y presión para cada punto de interés.

Términos:

Isotérmico= T constante

Isobárico = P constante

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DIAGRAMAS DE FASES

La curva S-L tiene comportamiento

típico, es decir, el punto de fusión

aumenta con el aumento de P

CO2

La curva S-L tiene comportamiento

no típico, es decir, el punto de

fusión disminuye con el aumento

de P hielo menos denso !!!

H2O47

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