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Estados de agregación. Fases condensadas.
Guía para la lectura y estudio:
La materia se presenta en tres estados físicos diferentes denominados estados de agregación : sólido, líquido y gaseoso. El estado de una sustancia depende en gran medida del equilibrio entre las energías cinéticas de sus partículas, que dependen de la temperatura, y las energías de atracción entre dichas partículas. Las energías cinéticas tienden a mantener a las partículas en constante movimiento dificultando la interacción entre ellas. Las atracciones, más precisamente las fuerzas de atracción, tienden a mantener a las partículas próximas unas de otras limitando su capacidad de movimiento. Los gases consisten en un conjunto de partículas muy separadas (comparando con las distancias que se observan en los líquidos y los sólidos), en movimiento caótico y constante, con una energía cinética promedio mucho mayor que la energía de interacción entre las partículas. Las fuerzas débiles que existen entre dichas partículas permiten
a) Nombra los estados de agregación de la materia. Enumera propiedades características de cada uno de
ellos.
b) ¿A qué estados se los conoce con el nombre de fases condensadas?
c) ¿Qué es la viscosidad? Explica por qué y cómo esta propiedad depende de las fuerzas intermoleculares
presentes en un líquido, de características estructurales que pudieran hacer que las moléculas se entrelacen y de la temperatura.
d) ¿Qué es la acción capilar? ¿Por qué es importante esta propiedad en los sistemas biológicos?
e) Utiliza los conceptos de fuerza de adhesión y fuerza de cohesión para explicar la acción capilar del agua y
del mercurio en sendos tubos de vidrio.
f) Explica la diferencia entre sólido amorfo y sólido cristalino. Cita un ejemplo de cada uno de ellos.
g) Define celda unidad o unitaria.
h) ¿Qué caracteriza una celda unitaria cúbica? Dibuja los tres tipos de celdas unitarias cúbicas. Calcula el
número de partículas que existe en cada uno de estos tres tipos de celdas. ¿Cuál de ellas representa un empaquetamiento cúbico compacto?, ¿por qué?
i) ¿Cómo se acomodarían en el espacio tres capas de partículas esféricas iguales para lograr un
empaquetamiento cúbico compacto? Representa gráficamente.
j) ¿Cuáles son los tipos de huecos presentes en un empaquetamiento compacto? Compara el tamaño de
ambos tipos de huecos. ¿Cuántos huecos de cada clase tiene un empaquetamiento cúbico compacto?
k) Describe la red típica del cloruro de sodio. Cuántos iones de cada clase hay en una celda unitaria.
l) Los sólidos cristalinos se pueden clasificar en iónicos, atómicos y moleculares. Señala las características y
propiedades y cita un ejemplo de cada uno de ellos.
m) ¿Cuál es la diferencia entre drogas anhidras y drogas con distintos grados de hidratación? Ejemplifica.
que el gas se expanda ocupando todo el espacio del recipiente que lo contiene: los gases no tienen forma. La distancia promedio que hay entre las partículas es grande comparada con el tamaño de éstas, por lo que los gases tienen muy baja densidad y se comprimen con facilidad. En los líquidos la energía de atracción que tiende a acercar a las partículas entre sí supera a la energía cinética promedio. Asimismo, se puede decir que se presentan fuerzas de interacción más intensas que en los gases, que mantienen a las partículas muy juntas. Los líquidos son mucho más densos y mucho menos compresibles que los gases. Tienen un volumen definido, independientemente del tamaño y forma del recipiente que los contiene. Sin embargo, las fuerzas de atracción presentes no son lo suficientemente intensas como para evitar que las partículas se muevan unas respecto de otras. Por lo tanto, cualquier líquido puede fluir, derramarse y adoptar la forma de cualquier parte del recipiente que ocupa. En los sólidos las fuerzas de interacción son lo suficientemente fuertes como para mantener a las partículas muy juntas, con un movimiento restringido de vibración es decir, cada una de ellas vibra en una posición fija debido a la energía térmica que posee. Los sólidos son prácticamente incompresibles debido a que existe poco espacio libre entre las partículas. Tienen forma y volumen propios. Los líquidos y los sólidos se conocen con el nombre de fases condensadas debido a que sus partículas estructurales están muy próximas entre sí.
Algunas propiedades de los líquidos
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Conforme aumenta la viscosidad, las sustancias fluyen más lentamente. A nivel submicroscópico la viscosidad se relaciona con la facilidad con la cual las moléculas del líquido se mueven unas con respecto a otras. Por lo tanto, depende de las fuerzas de atracción entre las moléculas y de la existencia de características estructurales particulares en las mismas. Cuanto más intensas son las fuerzas de atracción intermoleculares, mayor es la viscosidad. En los líquidos la viscosidad disminuye con el aumento de la temperatura debido a que las moléculas se mueven más rápido, el aumento en la energía cinética permite vencer las fuerzas de atracción intermoleculares. Si las moléculas poseen características estructurales que les permiten entrelazarse más que deslizarse unas respecto de otras, la viscosidad será elevada.
- ¿Cuál de las siguientes sustancias presenta la mayor viscosidad? Explica.
Algunas propiedades de los sólidos Los sólidos están formados por partículas que vibran en posiciones fijas en el espacio. Según cuál sea la disposición de dichas partículas, los sólidos se pueden clasificar en cristalinos o amorfos. En un sólido cristalino existe una ordenación regular de las partículas (átomos, iones o moléculas) que lo constituyen. Dichas partículas se disponen de forma regular y periódica originando un cristal de caras planas que tienen ángulos definidos entre sí. Debido a este ordenamiento, las fuerzas de interacción entre las partículas tienen intensidad uniforme y por esa razón un sólido cristalino funde a una temperatura específica. Ejemplos de este tipo de sólidos son el cuarzo, la pirita (el oro de los tontos), la sal de cocina, el azúcar. En un sólido amorfo las partículas están distribuidas en forma desordenada en el espacio, por lo que el sólido carece de caras y de forma bien definida. Las fuerzas de interacción entre las partículas varían en intensidad de un punto a otro y por esa razón un sólido amorfo no funde a una temperatura específica. Por el contrario, se ablanda en cierto intervalo de temperatura conforme se superan las fuerzas de distintas intensidades. Algunos sólidos amorfos conocidos son el vidrio y el hule.
El orden característico de los sólidos cristalinos permite tener la imagen de un cristal completo observando simplemente una pequeña parte de éste, conocida con el nombre de celda unidad o unitaria. La celda unitaria se define como la porción más simple de la red cristalina que al repetirse mediante traslación en las tres direcciones del espacio genera todo el cristal. En general, las celdas unitarias son paralelepípedos (figuras con seis caras). La más sencilla es la celda unitaria cúbica en la que todas las aristas del paralelepípedo tienen la misma longitud y todos los ángulos comprendidos entre dichas aristas son de 90°.
Si una celda unitaria sólo tiene partículas estructurales (átomos, iones o moléculas) en los vértices se denomina celda cúbica simple o primitiva. Algunas celdas unitarias tienen más partículas que las situadas en los vértices. En la celda cúbica centrada en el cuerpo hay una partícula en el centro del cubo y también en cada vértice. En la celda cúbica centrada en las caras hay una partícula en el centro de cada cara y también en cada vértice. En la figura siguiente se ilustran estos tres tipos de celdas. Los dibujos de líneas y esferas de la línea inferior constituyen una representación simplificada de los modelos de la línea superior en los que las esferas están en estrecho contacto entre sí. La representación más simple permite distinguir con mayor claridad los centros de las partículas en sus posiciones respectivas en las celdas unitarias.
La celda cúbica centrada en las caras contiene el mayor número de partículas por unidad de volumen y consecuentemente la mínima cantidad de espacio vacío. Este arreglo eficiente recibe el nombre de empaquetamiento cúbico compacto. Para lograr un empaquetamiento de este tipo, tres capas de partículas esféricas iguales se deben acomodar en el espacio de la siguiente manera: Una primera capa A (amarilla) en la que cada esfera está en contacto con otras seis ordenadas en forma hexagonal alrededor de ella. Entre las esferas hay huecos y el espacio entre tres esferas formando un triángulo se denomina hueco triangular. Cada esfera está rodeada por seis huecos triangulares iguales.
Una segunda capa de esferas B (azul) se coloca en los huecos triangulares de la primera, arriba de ella. De los seis huecos triangulares que rodean una esfera particular sólo tres son ocupados por esferas de la segunda capa. De nuevo, hay huecos en la capa B, pero son de dos tipos diferentes. El hueco tetraédrico se forma cuando una esfera de la capa superior se encuentra sobre un hueco triangular de la capa inferior. El hueco octaédrico se forma entre dos grupos de tres esferas de dos capas, es decir cuando coinciden los huecos triangulares de dos capas adyacentes. El tamaño de los huecos generados por esferas de igual tamaño aumenta según el orden siguiente: hueco triangular < hueco tetraédrico < hueco octaédrico.
Una tercera capa de esferas C (verde) se coloca en los huecos octaédricos de la segunda, arriba de ella. Las esferas de la capa C no coinciden con las de la capa A. Hasta la cuarta capa no empieza a repetirse la estructura.
Cuando esferas de tamaño diferente forman una red, las partículas más grandes adoptan un empaquetamiento compacto, por ejemplo se disponen en una celda cúbica centrada en las caras, y las partículas más pequeñas ocupan los huecos entre las esferas grandes. Dentro de una celda cúbica centrada en las caras hay ocho huecos tetraédricos y cuatro huecos octaédricos. En la figura siguiente se representa la ubicación de los mismos:
Esta información se puede utilizar para describir la celda unitaria redes cristalinas típicas. Por ejemplo, en la red típica del fluoruro de calcio CaF 2 ( fluorita ), los cationes calcio forman un empaquetamiento cúbico compacto en el que los aniones fluoruro ocupan todos los huecos tetraédricos.
a) A temperatura ambiente el metano se encuentra en estado gaseoso, mientras que el yodo en estado sólido ¿Qué fuerzas intermoleculares existen en cada una de estas moléculas? ¿En qué sustancia las fuerzas intermoleculares son más intensas? Justifica tu respuesta adecuadamente. Datos: H (Z = 1) C (Z = 6) I (Z = 53) b) La figura siguiente representa la celda unitaria del metano sólido. Describe la celda e indica cuántas partículas contiene. Clasifica el tipo de sólido y señala algunas de sus propiedades físicas.
- Completa la descripción de la red típica del cloruro de sodio con los términos faltantes: En la red típica de cloruro de sodio, los iones ____________ forman un empaquetamiento cúbico compacto en el que los iones ________________ ocupan todos los huecos _____________________
- Tomando como ejemplo el ejercicio 6. describe la red típica del sulfuro de cinc (blenda):
- Identifica qué tipo de sólido podría ser cada una de las sustancias cuyas propiedades se describen a continuación: a) Sustancia sólida blanca que no conduce la electricidad, es insoluble en agua y sublima a 3000°C. b) Sustancia blanca que no conduce la electricidad en estado sólido pero sí en solución y que funde con un poco de descomposición a 730°C.
- El siguiente mapa conceptual incluye los términos abordados en esta unidad. a) Vuelve a leer atentamente el contenido teórico para comprobar si existen conceptos que aún deberían ser incorporados al mapa, en cuyo caso deberás agregarlos relacionándolos con los conectores adecuados a los términos ya existentes. b) Define los términos que forman parte del mapa diseñado en el punto anterior.
