Estados de Agregacion Molecular de La Materia

CAPÍTULO

Julio Oria

Profesor:

10

ESTADOS DE AGREGACIÓN Y CONCEPTOS FÍSICOS

Tema

La materia se presenta en condiciones ordinarias en 3 estados de agregación: Gaseoso Los líquidos y sólidos se denominan fases (estados) Estados Líquido Fluidos condensados porque sus partículas están Condensados Sólido extremadamente cerca unas de otras DIAGRAMA DE FASES DE SUSTANCIAS PURAS : Representación gráfica, que muestra las *curvas de equilibrio de los estados de agregación de un componente (sustancia pura), que sólo dependen de la temperatura y presión, quienes determinan la intensidad de las fuerzas de repulsión y cohesión.

DIAGRAMA DE FASES DEL CO2

DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA P(atm) 217,7

P(atm)

Fluido supercrítico

A

C (PC, TC)

Fusión

Solidificación

LÍQUIDO

73,0

Evaporación

Fusión

Solidificación

Condensación

1,0 SÓLIDO

T

0,006

Pto. de ebullición normal

Pto. de fusión normal

LÍQUIDO

Evaporación Licuación

T

5,11

Sublimación

1,0

Deposición

GAS

GAS

M

Deposición 0,0098

C (PC, TC)

SÓLIDO

Sublimación M

Fluido supercrítico

A

100

374

T(°C)

La temperatura de fusión y ebullición medidos a 1atm se denominan temperatura de fusión normal y t. ebullición normal respectivamente

-78,5 -56,4

31,1

T(°C)

Si el CO2(s) se calienta en un recipiente abierto,

sublima a la temperatura constante de -78,5°C. No funde a la presión atmosférica y por eso se le llama “hielo seco”

El dióxido de carbono se utiliza a menudo en los extintores de incendios, existe como líquido a 25°C y altas presiones. El CO2 líquido liberado desde el extintor al medio ambiente a 1 atm de inmediato cambia a vapor. Al ser más pesado que el aire, este vapor sofoca el fuego manteniendo el oxígeno fuera de la llama. La transición de líquido / vapor es altamente endotérmica, por lo que también da lugar a la refrigeración, lo que ayuda a apagar el fuego. A diferencia de la mayoría de sustancias, el agua sólida es menos densa que el agua líquida. En la fase líquida, una molécula de agua se puede unir a otras cuatro moléculas de agua, pero en la fase sólida una molécula de agua se puede unir a otras 6 moléculas de agua (formando la estructura hexagonal del hielo).

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* Punto Triple (T): Es aquel punto donde coexisten en equilibrio las 3 fases (sólida, líquida y gaseosa) de una sustancia. * Punto Crítico ©: Es aquel punto donde desaparece la frontera de fase (L-g). Se cumple: Densidad como líquido = Densidad como gas * Temperatura Crítica (Tc): Es la temperatura más alta a la cual puede licuarse un gas, por encima de esta temperatura ya no se puede conseguir la fase líquida por muy alta que sea la presión ejercida sobre el gas * Presión Crítica (Pc): Es la presión mínima que debe aplicarse a una sustancia en fase gaseosa para que pase a la fase líquida, manteniendo la temperatura crítica constante. Por lo tanto, un gas se licua o pasa al estado líquido por debajo de la temperatura crítica (Tc) y por encima de la presión crítica (Pc) * Fluido supercritico (FSC): es aquel fluido que existe más allá del punto crítico. Que no es ni un líquido verdadero ni un gas verdadero * MT: Curva de sublimación o deposición * TA: Curva de fusión o solidificación. * TC: Curva de ebullición o deposición * OBSERVACIONES: - Los diagramas de fases para sustancias con varias formas sólidas, como el azufre y el agua, tienen más de un punto triple. A presiones elevadas y elevados puntos de congelación, el hielo posee más de un punto triple. El hielo ordinario es el Hielo I (hexagonal)

El café descafeinado “natural” se hace mediante un proceso que utiliza el FSC CO2 como disolvente para disolver la cafeína de los granos verdes del café. Después los granos se tuestan y se venden a los consumidores.

- Los FSC se expanden y contraen como un gas pero tienen propiedades de disolvente como la de un líquido, propiedades que los químicos pueden alterar controlando su densidad. El CO2 como FSC se utiliza para extraer ingredientes no polares de mezclas complejas como la cafeína de los granos del café, nicotina del tabaco, y grasas de las briznas de papa y maíz. El H2O como FSC puede disolver sustancias no polares (el H2O liquida no puede hacerlo), pero aún se están estudiando mas de sobre las propiedades del FSC H2O.

* PRESIÓN (P) : Es la fuerza (F) que se ejerce por unidad de área (A). Unidades en el SI: 1Pa = N/m2 Un pascal es una unidad de presión bastante pequeña y por ello, se utiliza mas frecuentemente el kilopascal (kPa). La unidad de presión pascal se llama así en honor de Blaise Pascal (1623-1662), que estudio la presión y su trasmisión a través de los fluidos, la base de la hidráulica moderna Equivalencias: 1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 101, 325 kPa = 10,33m H2O =14,7 lb/in2 (PSI) Los zapatos para nieve permiten caminar en el polvo de nieve sin hundirse porque distribuyen tu peso sobre un área más amplia que como lo hace una bota, disminuyendo significativamente tu peso por pulgada cuadrada. el área de un zapato de nieve es típicamente 10 veces mayor que la de una bota sola, así que el zapato de nieve ejerce sólo una décima parte de la presión de la bota. Las amplias garras acojinadas de un leopardo de la nieve también cumplen esto. Por la misma razón, los zapatos con tacón alto, ejercen una mayor presión que los zapatos planos

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TIPOS DE PRESIÓN : * Presión Atmosférica : Llamada también Presión barométrica, es la presión ejercida por el * peso del aire sobre la superficie terrestre. El valor real de la presión atmosférica depende de la localización, la temperatura y las condiciones climáticas. La atracción gravitacional de la Tierra jala los gases atmosféricos hacia la superficie, donde ejercen una fuerza sobre todos los objetos. Una columna de aire de 1m en su área transversal que se extiende desde la superficie terrestre hasta la parte superior de la atmósfera tiene una masa aproximada de 10 300 Kg y produce una presión atmosférica de 101 000 Pa (101KPa)

Evangelista Torricelli (1643) Para una altura geográfica de cero metros sobre el nivel del mar (0 msnm) se obtiene una altura de 76cm de Hg en el barómetro.

Presión debido a la columna de Hg

a = 9.81 m/s

h = 76cm Presión atmosférica

Hg

OBSERVACIÓN - P. atmosférica normal o estándar, es cuando se mide a nivel del mar. (Patm = 760mmHg) Los átomos y las moléculas de los gases en la atmósfera, como el resto de la materia, están sujetos a la atracción gravitacional de la Tierra; por consiguiente, la atmósfera es mucho mas densa cerca de la superficie de la Tierra que a altitudes elevadas (El aire fuera de la cabina presurizada de un avión a 9Km es muy ligero para ser respirado). De hecho, la densidad del aire disminuye muy rápido al aumentar la distancia a la Tierra, no sorprende que cuanto mas denso sea el aire, mayor es la presión que ejerce. Presión atmosférica (Patm)

Manométrica : * Presión Es frecuente que se mida la presión de un gas dentro de un recipiente con un manómetro de extremo abierto, instrumento sencillo cuyo principio es similar al del barómetro de mercurio. Un manómetro de extremo abierto consiste en un tubo en forma de U lleno de un líquido, generalmente mercurio, con un extremo conectado a un recipiente lleno de gas y el otro extremo abierto a la atmósfera.

Pgas < Patm

Pgas = Pamt - h

Presión atmosférica (Patm)

Pgas > Patm

Pgas = Pamt + h

TEMPERATURA (T) : Es la medida relativa del grado de * calor o frío que posee un cuerpo en relación a otro. El calor es la energía que fluye espontáneamente entre objetos que están a diferentes temperaturas. El calor siempre fluye de una sustancia de mayor temperatura, hacia otra de menor temperatura. De este modo sentimos el flujo de calor cuando tocamos un objeto caliente y sabemos que ese objeto está a mayor temperatura que nuestra mano.

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En el mundo molecular, es una consecuencia de transferencia de energía cinética de partículas de alta energía a partículas de baja energía. Ejemplo: ¿Qué ocurre cuando un vaso de precipitado con agua que contiene un termómetro se calienta a la flama? Instrumentos de medida de temperatura :

* Termómetro de Hg (punto de fusión es -20ºC y punto de ebullición 357ºC), termómetro digital, pirómetro infrarrojo, etc. La EK de estas partículas puede ser vibracional, rotacional, traslacional, etc. según el estado físico en la que se encuentre Los termómetros por infrarrojos se utilizan en ubicaciones que no permiten el uso de los termómetros convencionales de contacto. Con estos instrumentos portátiles se pueden medir temperaturas dentro del rango de -100 a 3.000ºC sin entrar en contacto con el objeto a medir. Precisamente por eso los termómetros infrarrojos son los instrumentos idóneos para medir la temperatura de superficie de piezas de difícil acceso o en movimiento.

de temperatura : * * Escalas Relativas.- Son aquellas que toman como referencia el punto de congelación y ebullición de un cuerpo, mas no parten del cero absoluto (mínima temperatura). Tenemos a: - Escala Celsius o Centígrada (ºC) - Escala Fahrenheit o Inglesa (ºF) * Absolutas.- Son aquellas que toman como referencia al cero absoluto (temperatura ideal en la que se considera que no existe movimiento molecular, es decir: Ek = 0). Tenemos a: - Kelvin (K) - Ranking (R) : * Relación entreºClas escalas ºF K Pext = 1atm

Pto. de ebullición del H2O

100

212

373,15

°C = K - 273,15 = °F - 32 = R - 492 5 5 9 9

R 672

D1°C = D1K 0

32

-273,15

-460

273,15

D1°C = D1,8°F

492

Pto. de congelación del H2O

cero absoluto

Relativas

0

D1°F = D1R

0

Absolutas

TEMPERATURA CORPORAL La temperatura corporal normal varía según la persona, la edad, la actividad y el momento del día. La temperatura corporal normal promedio que generalmente se acepta es de 98.6° F (37º C). Algunos estudios sugieren que hay un rango más amplio de temperaturas corporales "normales” La temperatura del cuerpo puede ser anormal debido a la fiebre (temperatura alta) o a la hipotermia (temperatura baja). De acuerdo con la Asociación Médica Americana, se considera que hay fiebre cuando la temperatura corporal es mayor de 98,6° F (37 °C)

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en la boca o de 99,8° F (37,6 °C) en el recto. La hipotermia se define como una disminución de la temperatura corporal por debajo de los 95° F (35 °C). Formas de tomar la temperatura corporal : * * Oral: La temperatura se puede tomar en la boca utilizando el termómetro clásico o los termómetros digitales más modernos. * Rectal: Las temperaturas que se toman en el recto (utilizando un termómetro de vidrio o digital) tienden a ser de 0,5 a 0,7° F más altas que si se toman en la boca. * Axilar: La temperatura se puede tomar debajo del brazo utilizando un termómetro de vidrio o digital. Las temperaturas que se toman en esta zona suelen ser de 0,3 a 0,4°F más bajas que las que se toman en la boca. * Oído: Un termómetro especial puede medir rápidamente la temperatura del tímpano, que refleja la temperatura central del cuerpo (la temperatura de los órganos internos). * Piel: Un termómetro especial puede medir rápidamente la temperatura de la piel en la frente.

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del CO2. Determine si las proposiciones son verdaderas (V) o falsas (F), según corresponda a las siguientes proposiciones I. El punto C es el punto triple. II. El punto crítico se halla a 73 atm y 31°C. III. El desplazamiento del punto D al F implica un proceso de solidificación.

Reforzando lo aprendido * Preguntas de autoevaluación: 01. Considerando el diagrama de fases del

agua, en el gráfico adjunto: (no está a escala real), indique la proposición falsa.

A) El punto A, corresponde a un estado de la fase líquida del agua. B) En el punto triple, T, coexisten en equilibrio las fases: sólida, líquida y gaseosa. C) A la presión de 1 atm, el agua puede establecer un equilibrio líquido-vapor. D) El punto D corresponde a un estado gaseoso de la fase vapor de agua. E) A la presión de 217.7 atm. El agua establece un equilibrio sólido-líquido a una temperatura menor a 0.01°C.

A) VVV B) VFV

B) Solo II E) I, II y III

C) FVV

D) FVV E) VVF

04. En el siguiente diagrama de fases, indique la veracidad (V) o falsedad (F) de las siguientes proposiciones:

02. Con respecto al siguiente diagrama de fases, indique la(s) proposición(es) incorrecta(s): I. La zona B corresponde a la fase sólida. II. El punto O es el punto crítico, condiciones de presión y temperatura en la que las tres fases coexisten en equilibrio. III. A 5.2 atm de presión, se puede producir la sublimación, por un proceso de calentamiento de la fase sólida.

A) Solo I D) II y III

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I. El punto A es el punto triple. II. En el punto B la sustancia se encuentra en fase líquida. III. El punto de fusión normal se produce a 120 ºC. A) VVV B) FVV C) VVF D) VFF E) VFV 05.UNI 16-1

C) I y II

03. El gráfico muestra el diagrama de fases

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TEMPERATURA 01. Un cuerpo a -40ºC incrementa su temperatura en 90ºF. ¿Cuál es la temperatura final en grados Kelvin? A) 233 B) 420 C) 283 D) 650 E) 850 PRESIÓN 01. Determine la presión absoluta del gas encerrado (en atmósferas) si la presión barométrica es 700 mmHg. Gas

40 cm

Hg

A) 1,22 D) 1,45

B) 1,53 E) 1,65

C) 1,32

02. Usando los datos de la figura, indique verdadero (V) o falso (F), según corresponda:

10 cm

GAS

Hg Dato: 1 atm = 760 mm de Hg I. La presión barométrica es menor que la presión del gas. II. La presión absoluta del gas es igual a 0,86 atm. III. La presión manométrica del gas es 80 mm de Hg. A) FFV B) VVF C) FVF D) VVV E) VFF

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