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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: [email protected]
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
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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
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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
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“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:
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ECUACIÓN DE CLAUSIUS- CLAPEYRON
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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
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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
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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
