guia adicional de liquidos + cuaderno foliado 16/03

[gaby]

SERIE DE SISTEMAS MATERIALES

CONCEPTOS A DESARROLLAR
Clasificación de sistemas materiales. Métodos de separación de fases y
de fraccionamiento.
Gases, líquidos y sólidos. Descripción macro y submicroscópica.
Cambios de estado.
Líquidos: viscosidad, tensión interfacial, presión de vapor.
Equilibrios de fases en sistemas de un sólo componente, diagramas de
fases de sustancias puras.
Metales y No Metales. Sólidos cristalinos y no cristalinos. Cristal,
red cristalina, nodo, celda unitaria. Tipos de sólidos cristalinos:
constitución, propiedades y ejemplos.
Descripción general del estado sólido (comentarios generales). Sólidos
cristalinos y amorfos (características, ejemplos). Cristal, red
cristalina, nodos, celda unitaria (conceptos). Distintos tipos de
sólidos cristalinos y propiedades resultantes: cristales atómicos o
covalentes, moleculares, iónicos y metálicos.. Unidades elementales en
nodos. Fuerzas de atracción entre unidades elementales existentes en
los nodos. Propiedades características de cada tipo de cristal
(física, mecánica, eléctrica y térmica). Ejemplos de cada tipo de
sólido.
Ejemplos de redes cristalinas: redes cúbicas de cuerpo centrado
(hierro alfa) y de caras centradas (hierro gamma). Importancia de
estas redes en los metales. Caso del cloruro de sodio.

GLOSARIO DE TERMINOS

Viscosidad: resistencia a fluir que presenta un líquido

Tensión superficial: energía requerida para aumentar la superficie de
un líquido en una unidad de área .

Fuerzas de cohesión: fuerzas intermoleculares que unen las moléculas
de líquido.
Fuerzas de adhesión: fuerzas intermoleculares que unen una sustancia
líquida a una superficie (líquido-sólido).
Capilaridad: elevación o depresión de la superficie de un líquido en
la zona de contacto con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un
tubo, por acción de la tensión superficial del liquido y la intensidad
de las fuerzas adhesión y cohesión.
Presión de vapor de un líquido (o un sólido) : presión ejercida por
el vapor en equilibrio dinámico con la fase condensada a una dada
temperatura. [Pv]= mmHg, Atmosferas.
Diagrama de fases : Diagrama P vs.T en donde se resume en forma
gráfica las condiciones en las que existen equilibrios entre los
diferentes estados de la materia, para una dada sustancia pura.
Punto triple: punto del diagrama de fases en donde coexisten en
equilibrio los tres estados de una determinada sustancia pura.
Punto crítico: punto del diagrama de fases que indica el valor máximo
de temperatura en el que pueden coexistir en equilibrio las fases
liquidas y gaseosas.
Punto de ebullición: valor de temperatura para una sustancia dada, en
el cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y gaseoso a una
determinada presión.
Punto de fusión: valor de temperatura para una sustancia dada, en el
cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y sólido a una
determinada presión
Sólido: conglomerado compacto de unidades elementales (átomos,
moléculas o iones) con reducidos movimientos vibratorios. Pequeños
espacios libres entre ellas.
Sólidos cristalinos: unidades elementales altamente organizadas en
estructuras geométricas llamadas cristales; por ejemplo, sales
inorgánicas, metales, gases solidificados.
Sólidos amorfos: conglomerado compacto de átomos, moléculas o iones
poco o nada ordenados; por ejemplo, vidrio, plásticos, caucho.
Red espacial: conjunto total de unidades elementales en ordenamiento
geométrico dentro del cristal. Puede ser lineal, plana o
tridimensional.
Celda unitaria: mínimo modelo, unidad fundamental de la red espacial,
que se repite análogamente en todas las direcciones axiales del
cristal. Encierra un número entero de moléculas, átomos o iones.
Nodos: puntos de la red espacial que coinciden con el centro de las
unidades elementales. Si ésta es un átomo o ión simple, el nodo
coincide con su núcleo y si es una molécula o ión complejo, coincide
con el centro de la estructura geométrica que los representa.
Cristales atómicos no metálicos o covalentes: átomos no metálicos en
los nodos, unidos por enlaces covalentes (pares de electrones de
valencia localizados).
Cristales moleculares: moléculas polares o no polares en los nodos,
unidas por puentes de hidrógeno o fuerzas de van der Waals.
Cristales iónicos: aniones y cationes alternados en nodos
consecutivos, unidos por fuezas electrostáticas fuertes.
Cristales metálicos: red espacial de cationes metálicos en los nodos,
sumergida en “un mar móvil” de electrones de valencia deslocalizados.
Enlace metálico: “resonancia” de los electrones deslocalizados, entre
el catión de un nodo y los cationes vecinos.
Difracción de rayos X: técnica experimental que se basa en la
difracción de un haz de rayos X que se produce cuando los mismos
inciden en un solido cristalino. El patrón de difracción producido
permite calcular distancias interatómicas a partir de la ley de Bragg.
Ley de Bragg: 2dsenθ =λ, donde d= distancia entre dos planos de
atomos, θ = angulo de difracción y λ= longitud de onda incidente























CLASIFICACION Y PROPIEDADES DE LOS SOLIDOS CRISTALINOS







EJERCICIOS
LIQUIDOS
1) Definir tensión superficial ¿Cuál es la relación entre las fuerzas
intermoleculares que existen en en líquido y la tensión superficial?
A pesar de que el acero inoxidable es mucho más denso que el agua, una
navaja de afeitar puede flotar en el agua ¿Por qué?

2) ¿Qué es la viscosidad? ¿Cuál es la relación entre las fuerzas
intermoleculares que existen en el líquido y su viscosidad? ¿Por qué
la viscosidad de un líquido disminuye al aumentar su temperatura?

3) a- Predecir que líquido tiene mayor tensión superficial, etanol
(CH3-CH2OH) o éter dimetílico (CH3-O-CH3).
b-Predecir la viscosidad del etilenglicol (OH-CH2-CH2-OH) con respecto
al etanol y a la glicerina (CH2OH-CHOH-CH2OH).

4) Las presiones de vapor de equilibrio líquido-vapor de una serie de
sustancias son:
Sustancia Pv a 20ºC (mm Hg)
A 17,5
B 75,0
C 442,0
Justificar cual de las siguientes proposiciones es verdadera o falsa.
a) En estado gaseoso, la sustancia más difícilmente licuable es la A.
b) Las fuerzas intermoleculares en C son mayores que en las otras
sustancias.
c) El punto de ebullición de estas sustancias disminuye al aumentar la
presión atmosférica.
d) La presión de vapor de equilibrio de estas sustancias disminuye al
aumentar el volumen del recipiente.
e) Dibujar hipotéticas curvas de presión de vapor para c/u de estas
sustancias sobre un mismo gráfico.

5) El éter dietílico tiene un punto de ebullición de 34,5ºC y el 1-
butanol de 117ºC:
H H H H H H H H
| | | | | | | |
H-C-C-O-C-C-H H-C-C-C-C-OH
| | | | | | | |
H H H H H H H H
éter dietílico 1-butanol
Ambos compuestos tienen el mismo número y tipo de átomos. Explicar la
diferencia en los puntos de ebullición.

EQUILIBRIO DE FASES
6) Se hace burbujear lentamente 2,0 l de aire a través de agua a 25°C.
Estimar la disminución de la masa de agua que tiene lugar como
consecuencia de la evaporación, suponiendo que el aire se satura

7) Con los datos de la curva de presión de vapor estimar el punto de
ebullición del agua cuando la presión externa es de: a) 700 torr; b)
800 torr; c) 90 torr. Señalar sobre un gráfico.
8) Un investigador algo descuidado olvidó rotular dos botellas que
contenían dos líquidos: n-hexano (C6H14) y n-heptano (C7H16). Para
identificarlos realizó un experimento en el cual midió las presiones
de vapor a distintas temperaturas y obtuvo los siguientes datos:

T (ºC) 50 60 69 80 90 98
PA (Torr) 401 566 760 1062 1407 1836
PB (Torr) 141 209 302 427 589 760

a) Usando solamente los resultados experimentales y datos de tablas,
¿cómo puede el investigador decidir qué líquido contenía cada
botella?
b) Hacer una curva de equilibrio liquido-gas cualitativa de ambos
compuestos, indicando la T de ebullición normal.
c) Analice las Pv en función de las fuerzas intermoleculares de los
compuestos

9) Utilizando los datos del diagrama de fases del agua describir los
cambios de fases que ocurren al aumentar gradualmente la presión desde
1,5 torr hasta 760 torr, cuando se mantiene una temperatura constante
de: a) -5°C, b) 0°C, c) 70°C. Graficar.

10) Utilizando los datos del diagrama de fases del agua describir los
cambios de fases que ocurren:
a) cuando la temperatura se aumenta gradualmente a una presión
constante de 0.2 atm, desde -12°C hasta 100°C (trazar sobre un
gráfico)
b) idem cuando la presión constante es de 10 atm.

11) Se hace vacío en un recipiente de 2 dm3 de capacidad que se
encuentra termostatizado y conectado a un manómetro de mercurio. La
temperatura, 34,6 °C, coincide con la de ebullición del éter etílico,
(C2H5)2O.
a) Se introducen 2,0 g de éter en el recipiente. ¿Cuál es la presión
que indicaría el manómetro si todo el éter se vaporizara? (suponga
comportamiento ideal del vapor).
b) Si se introducen 8,0 g adicionales de éter en el recipiente, ¿qué
pasará? ¿Qué presión se leerá en el manómetro?
c) Al sistema del punto (b) se le introducen 200 cm3 de N2 medidos en
CNPT (suponer comportamiento ideal). Calcule la presión parcial de N2,
la presión parcial de éter y la presión total que indicará el
manómetro. Suponga que el N2 no es soluble en éter.

Nota: del Apéndice se pueden extraer datos de tablas de presión de
vapor, para poder interpolar linealmente. También figuran tabulados
datos de constantes críticas para algunas sustancias

SÓLIDOS
12) Explicar los conceptos de sólido, sólido cristalino, sólido
amorfo, red cristalina, nodo y celda unitaria.

13) Se dispone de una muestra de un sólido cristalino. Describir
algunas experiencias sencillas que se podrían efectuar para ayudar a
decidir si los enlaces son o no esencialmente covalentes, iónicos,
metálicos o de van der Waals.



14) Ordene los siguientes compuestos por punto de fusión ascendente.
Justifique su respuesta.
NaCl, I2, H2O, Cl2, Cdiamante, Ba2I, SiO2, H3C-CH2OH

15) Para c/u de las siguientes sustancias teniendo en cuenta la
ubicación en la T. Periód., dar la fórmula mínima y la fórmula de
Lewis: a) hidruro de magnesio; b) fluoruro de hidrógeno; c)
sulfato(IV) de amonio; d) dióxido de azufre; e) dióxido de silicio; f)
nitrito cúprico. Indicar para c/u de las anteriores a qué tipo de
sólido da lugar, fuerza de atracción entre nodos, propiedades del
sólido.
Nota: los estados de agregación a 15 ºC de las sustancias son
respectivamente (s), (l), (s), (g), (s) y (s).

16) El Bario metálico cristaliza en una red cúbica centrada en el
cuerpo. La longitud de la arista de la celda unitaria es de 502 pm y
la densidad del metal es de 3.5 g/cm3. Utilizando esta información
calcule el número de Avogadro.

17) La celda unidad de la plata metálica es la cúbica centrada en las
caras cuya arista es 4.086 Calcule
a) el radio de un átomo de plata,
b) el volumen de un átomo de plata dado como una esfera en cm3,
c) Calcule la Ag en función de los datos del punto anterior

18) El Sodio cristaliza en una red cúbica y la arista de la celda
unitaria es de 4,3 A. La densidad del Sodio es 0,963 g/cm3 y su peso
atómico 23,0. ¿Cuántos átomos de Sodio están contenidos en una celda
unitaria? ¿Qué tipo de celda unitaria cúbica forma el Sodio?




PROBLEMAS ADICIONALES

LIQUIDOS
1) Utilizar el agua y el mercurio como ejemplos para explicar la
adhesión y la cohesión. Dibujar diagramas que muestren la acción
capilar de: a) agua y b) mercurio.

2) Un alumno aburrido de estudiar se pone a jugar con un submarino a
pila. El mismo recorre 10 metros en 10 segundos cuando está sumergido
en agua. Sin embargo, sumergido en aceite tarda 25 segundos en
recorrer la misma distancia. Qué propiedad de los líquidos es
responsable de esta diferencia? Explique en base a fuerzas
intermoleculares.
Nota: agua: H2O,
aceite: suponga mezcla de ácidos grasos de formula general H3C-(CH2)n-
COOH, n=13-18

3) Cuál de las siguientes opciones indica fuerzas de atracción
intermolecular extremadamente débiles en un líquido:
a) un punto de ebullición muy elevado
b) una presión de vapor muy alta
c) una temperatura crítica muy alta
d) un calor de vaporización muy alto
e) ninguna de éstas.
Fundamentar la respuesta y explicar brevemente cada una de las
propiedades.
4) Explicar en términos de fuerzas intermoleculares por qué:
a) el NH3 tiene un punto de ebullición mayor que el CH4;
b) el KCl tiene un punto de fusión mayor que el I2
c) el naftaleno(C10H8) es más soluble en benceno que el LiBr.

EQUILIBRIO DE FASES
5) Indicar el punto de ebullición del etanol en un día en que la
presión atmosférica es de 751 Torr.

6) Utilizando los datos del diagrama de fases del agua predecir el
estado de una muestra de agua bajo las siguientes condiciones: a) 2
atm; 200°C; b) 600 mm Hg; 70°C; c) 3 torr; 0°C; d) 218 atm; 374°C.

7) Para una determinada sustancia las coordenadas del punto triple son
(0,74 atm, 330 K) y las del punto crítico (1,25 atm, 400 K). Dibuje
aproximadamente el diagrama P-T si su temperatura de fusión normal es
de 333 K y señale en el mismo la temperatura normal de ebullición y la
presión necesaria para sublimar el sólido a 300 K. En esta especie
¿Para una misma masa, será mayor el volumen del sólido o el del
líquido?

8) Utilizando los datos del diagrama de fases del dióxido de carbono,
indicar por lo menos dos estados (presión y temperatura) bajo los
cuales se encuentra en estado:
a) líquido, b) sólido, c) vapor. d) Indicar el punto triple. e)
Indicar el punto crítico.
Señalar sobre un gráfico.

9) El CS2 tiene una presión de vapor de 298 mmHg a 20 ºC. Se coloca en
un matraz cerrado, a esta temperatura, una muestra de 6 g de CS2:
a) ¿Cuál es el volumen máximo del recipiente para poder tener
equilibrio líquido vapor en su interior?
b) Si el matraz tuviese un volumen de: i) 3 litros ii) 7 litros
¿Cuál sería la presión del CS2?, ¿Cuántas fases tendría el sistema?,
explicar. Calcular la masa de CS2 en cada fase.
c) Ubicar sobre un hipotético diagrama de fases los puntos que
representan al sistema de a), de b)i) y de b)ii).

SOLIDOS
10) Interpretar las siguientes propiedades de los metales:
a) alta conductividad eléctrica y la disminución de ésta al aumentar
la temperatura
b) buena conductividad térmica
c) plasticidad (maleabilidad y ductilidad) mayor que la de los sólidos
iónicos.

11) Cuáles de los siguientes tipos de sólidos tienen los puntos de
fusión más bajos (explicar porqué):
a) aquellos que están compuestos por moléculas simétricas pequeñas
b) aquellos compuestos por iones positivos y negativos pequeños
c) aquellos compuestos por moléculas polares
d) aquellos en los cuales los átomos están ligados por enlaces
covalentes formando una red
e) aquellos que están formados por iones positivos y electrones
móviles.

12) En la tabla siguiente se indican diversos datos correspondientes a
ciertas especies químicas al estado sólido. Completar en cada columna
e hilera el espacio en blanco reservado para la respuesta.

p f. p.eb. Prop mec Conduct eléct y tér Tipo d enlace Tipo d cristal
ejemplos
A Alto Muy deformable Metálico
B Mala Molecular
CO2
C Alto Muy alto Frágil Muy duro Aislante
D alto Alto
frágil
Iónico NaCl
E bajo bajo Mala Van Der
Waals SO2
F
Covalente Si
G
metálico Cu
H
mala H2O


13) Los elementos carbono y silicio forman óxidos con fórmulas
similares: CO2 y SiO2. El dióxido de carbono sólido sublima a -78,5
ºC, mientras que el dióxido de silicio funde a aproximadamente 1700 ºC
y hierve aproximadamente a 2200 ºC.
a) En base a esta gran diferencia de temperatura hasta llegar al
estado de vapor, deducir los tipos de sólidos correspondientes y el
carácter del enlace entre nodos.
b) Representar ambas especies químicas mediante fórmulas de Lewis
(fórmulas electrónicas o “punteadas”).

14) Dibujar un fragmento de red cristalina y una celda unitaria de un
cristal de: a) hierro alfa; b) cloruro de cesio; c) hierro gamma y d)
cloruro de sodio (buscar en la bibliografía el tipo de celda
correspondiente a cada uno).

15) El Paladio se cristaliza en una red cúbica centrada en las caras.
La densidad del Paladio es 12,0 g/cm3 y su peso atómico 106,0 ¿Cuál es
la longitud de la arista de la celda unitaria?