UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
TEMA: ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: SOLIDOS Y LIQUIDOS INTEGRANTES: ORTIZ CASTIGLIONI, Denis Maglorio RODRIGUEZ CELMI, Fernando Franck SANTY CABRERA, Pier Carlo SECCIÒN: O PROFESORA: CACERES CHUMPITAZ, Maria Luz Fecha de entrega: 08 de noviembre del 2007 LIMA – PERÚ 2007
ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: SÓLIDOS Y LIQUIDOS Experimento Nº 01: Diferencia entre “sólido amorfo” y solido cristalino. Objetivos -
Establecer diferencias entre un solidó amorfo y un solidó cristalino Conocer las características y propiedades de los diferentes tipos de sólidos a determinadas temperaturas. Establecer las aplicaciones que tienen estos compuestos en el desarrollo de la vida diaria.
Fundamento teórico Estado sólido Al estado sólido se lo califica de perfectamente ordenado. Las partículas de un cristal ocupan posiciones determinadas alrededor de las cuales sólo tienen movimientos de vibración de muy corto alcance. Las distancias entre las partículas son fijas y dependen de la naturaleza química del sólido. El entorno de una partícula de determinada clase es el mismo en cualquier lugar del cristal. El orden cristalino no se circunscribe a una porción del mismo, sino que sus partículas se encuentran distribuidas geométricamente de un modo periódico. En realidad estamos describiendo un cristal perfecto, sistema ideal que no existe en la naturaleza. Lo mismo que los gases ideales, los sólidos ideales perfectos son modelos que se conciben a fin de deducir las leyes que rigen su comportamiento y las ecuaciones que describen su estado. Estas leyes y ecuaciones deben ser luego corregidas para que interpreten las propiedades de los sólidos reales. Los cristales reales exhiben algunos “defectos” que son apartamientos de la estructura ideal. Otras propiedades características de los sólidos son la anisotropía (que consiste en que el valor de algunas propiedades depende de la dirección del cristal que se considere), bajo coeficiente de dilatación (el volumen del sólido varía muy poco con la temperatura), una temperatura de fusión definida, elevada cohesión y casi nula (pero finita y medible) compresibilidad (soporta esfuerzos y sufre apenas un leve cambio temporal de forma). En estado sólido, una cierta porción de sustancia a temperatura dada tiene contenido de energía mínimo con respecto a los otros estados. La clasificación de los solidos según el tipo de enlace que presentan sus átomos esta dado por:
Sólidos amorfos y cristalinos Se diferencian dos tipos de sólidos: cristalinos y amorfos. Los sólidos cristalinos, que adoptan formas geométricas regulares limitadas por caras planas, tiene átomos, iones o moléculas en posiciones fijas en el espacio, alrededor de las cuales, los únicos movimientos son vibracionales. Los sólidos amorfos carecen de esta regularidad en gran extensión, por estar constituidos por macromoléculas que encuentran dificultad para acomodarse en posiciones fijas. Ejemplos de los primeros son: cloruro de sodio, diamante, hielo; de los segundos caucho, vidrio y cualquier plástico. Estos dos tipos de sólidos algunas propiedades común y propio difieren(las en otras. Entre las primeras se poseen puede mencionar la forma y en el volumen fuerzas de cohesión en el sólido son suficientes como para contrarrestar las fuerzas externas), la densidad que generalmente es mayor que la del líquido correspondiente y la difusión que es extremadamente lenta. Al calentar un vidrio se observa que se ablanda gradualmente hasta que comienza a fluir, mientras que el hielo al ser calentado, mantiene sus propiedades mecánicas hasta que a la temperatura de 0°C y a una atmósfera de presión, comienza a fundir bruscamente mientras la temperatura se mantiene constante durante el cambio de estado. Esta es una de las diferencias entre los sólidos cristalinos y los amorfos, el punto de fusión definido para los primeros y no observable para los segundos. Los sólidos cristalinos, como el cloruro de sodio, son anisotrópicos, esto es que sus propiedades físicas, tales como la resistencia mecánica, índice de refracción, conductividad eléctrica, varían según la dirección en la que se midan. Los sólidos amorfos, al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes. Es habitual reservar la denominación de sólidos o cristales a los que hemos mencionado como sólidos cristalinos y llamar líquidos de elevada viscosidad a los vidrios, resinas y plásticos que, aunque rígidos y de elevada cohesión, no tienen sus partículas regularmente ordenadas como los cristales, no tienen temperatura de fusión definida y son isótropos.
Definición de términos clave -
Anisotropía. Propiedad que presentan ciertos cuerpos consistentes en la dependencia de sus propiedades de la dirección que en ellos se considere. El fenómeno de la anisotropía es debido a la ordenación espacial de los átomos en la red cristalina y afecta a las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de los materiales. En la mayoría de las aplicaciones de las aleaciones no es preciso tener en cuenta el hecho de que tanto las propiedades elásticas como las plásticas están determinadas por el comportamiento de muchos granos individuales, cada uno de los cuales es anisótropo. Las aleaciones corrientes están constituidas por millones de pequeños cristales y, si están orientados al azar, las propiedades medias son las mismas en todas las direcciones. Sin embargo, como resultado de los procesos de colada, laminado o tratamientos térmicos, es posible que los granos de una barra policristalina adopten una orientación casi idéntica en cuyo caso la barra presentará un comportamiento anisótropo que, por ejemplo, puede hacer aumentar en gran medida su rigidez en una dirección. En cuanto a las propiedades eléctricas, un aspecto interesante de la resistividad es su dependencia de la dirección de la corriente eléctrica en los monocristales de metales no cúbicos. Esta anisotropía de la resistividad se utiliza en dispositivos eléctricos especiales. Algunos materiales son ópticamente anisótropos, es decir, la velocidad de la luz depende de la dirección en que ésta se propague a través de ellos y esto da lugar al fenómeno de la doble refracción. Otros materiales anisótropos, como la turmalina o la materia plástica transparente llamada polaroid, sólo transmiten la luz orientada en ciertas direcciones de manera que convierten la luz no polarizada en luz polarizada y pueden funcionar como polarizadores.
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Isotropía . Un material o pieza es isotrópico cuando presenta exactamente las mismas propiedades en todas las direcciones. Lo contrario es ser anisotrópico, es decir, el tener propiedades distintas para cada dirección (propiedades direccionales).
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Alotropía . Se define como compuestos alótropos a las diferentes formas de un mismo elemento en las cuales los enlaces químicos entre los átomos son diferentes y por tanto que dan lugar a unidades moleculares también diferentes. Ejemplo. El ejemplo por excelencia de alotropía es el caso del carbono, cuyas formas alotrópicas son diamante y grafito, dos ejemplos claros de la importancia de la estructura cristalina en las propiedades de los compuestos. Ambos son compuestos del carbono, pero difieren en el enlace y la posición de los átomos.
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Polimorfismo. Es aquel fenómeno en el cual un compuesto puede poseer una o más formas cristalinas. Por ejemplo: CaCO3 (romboédrica), llamada calcita, y CaCO3 (ortorrómbica), llamada aragonita.
Desarrollo Prueba A: Fusión de un solidó amorfo Con la brea Se prepara un mechero y una lata vacía. Cuando se puso el pedazo de brea sobre la lata este empieza a calentar, luego de colocar un termómetro en el interior de la lata se observo que a la temperatura de 30ºC la brea empieza a derretirse ligeramente por los bordes de cada pedazo de brea y durante este proceso de calentamiento algunas pedazos de brea empiezan a derretirse unos mas rápidos que otros debido a que los sólidos amorfos presentan una estructura desordenada ya que en su solidificación hecha anteriormente algunas moléculas presentaron fuerzas de atracción mas fuertes quesuotras partes del y a medida que mayor fuerza molecular tenga temperatura depedazo fusión de serábrea mayor que las partes en que las fuerzas moleculares fueron menores. Y cuando los pedazos de brea se encuentran a la temperatura de 85ºC algunos ya están fundidos, y cuando se llega al a temperatura de 130ºC ya todos los pedazos de brea sen encuentran fundidos. De esto se dedujo que la brea presenta un desordenamiento irregular en su estado sólido. Con el plástico Se prepara trozos de plásticos, una lata y un mechero. Se coloca los pedazos de brea dentro de la lata y un termómetro al costado y se pieza a calentar y se observa que a medida que se aumenta la temperatura este sólido se empieza a derretir todos los pedazos igualmente pero cada en cada pedazo se observa que a la temperatura de 95ºC se derrite por los bordes en cada pedazo y a la temperatura de 140ºC se derrite totalmente, debido a que el plástico a comparación de la brea es un insume industrial y es por eso que presenta la característica de derretirse todos los pedazos igualmente, pero sigue siendo un sólido amorfo por que cada pedazo se funde desigualmente, del borde hacia a dentro. Prueba B: Fusión de un solidó cristalino Se coloca el naftaleno en un tubo hasta la altura aproximada de 2 cm. y se coloca de forma invertida sobre el vaso de agua y colocamos un termómetro al costado y se observo lo siguiente: que a medida se calienta uniformemente(agitando con
un pequeño aro de arriba hacia abajo para mantener la temperatura uniforme en todo el frasco) cuando llega a los 80º C el naftaleno empieza a botar pequeñas burbujas, y cuando llega 88ºC la muestra ya se encuentra en un estado totalmente gelatinoso en el tubo y después de hervir el agua se va sedimentando al fondo debido a la disminución de temperatura.
En este experimento se observo que el naftaleno cambia de estado sólido a estado líquido (gelatinoso) en una sola temperatura dada, y debido a esta característica podemos sospechar que el naftaleno tiene un comportamiento determinado a ciertas temperaturas, y condiciones. Conclusiones -
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De las observaciones, podemos concluir que en la primera parte de la experiencia los dos tipos de muestra que analizamos tienen una temperatura de fusión que no es muy exacta solo podemos decir que esta determinada por un rango de temperatura, esto se debe porque estos compuestos no poseen un ordenamiento en sus moléculas, por lo que se les denomina solidos amorfos. De acuerdo al experimento el naftaleno, contrario al caso anterior si posee un a temperatura de cambio, es decir que la mayor parte de la muestra cambio de estado en una temperatura determinada, esto se debe a que el naftaleno posee en su estructura unleordenamiento que hace que sus propiedades sean uniformes, porinterna lo que se llama solido cristalino. Se observa que los tr es materiales al hacerlos calentar emiten gases, que según los datos experimentales son muy tóxicos. Los datos que obtuvimos no concuerdan exactamente con los datos teóricos esto es debido a los factores externos que intervinieron, como son la temperatura del ambiente, la humedad, etc.
Experimento Nº 02: Propiedades de los solidos cristalinos Objetivos -
Verificar los datos teóricos acerca de estos compuestos. Conocer las características de los solidos en reacción con el medio. Poder determinar experimentalmente las formas de cristalización de los sólidos. Conocer algunos solidos cristalinos y sus propiedades a condiciones ambientales.
Fundamento Teórico Higroscopia Es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente. Un producto higroscópico es la miel. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica). Esto se debe porque en el medio que se encuentren estos compuestos absorben el agua que se encuentra dispersa en el medio. Delicuescencia Propiedad que algunas sustancias sólidas tienen de absorber la humedad del aire y de disolverse en ella. Tiene lugar cuando se forma una disolución saturada con una presión de vapor inferior a la del agua en el aire. La delicuescencia es debida a que el sólido se disuelve en la humedad que se condensa en su superficie, dando lugar a una capa muy fina de una disolución muy concentrada, y cuya presión de vapor es muy baja. Para que la presión de vapor de esta disolución pueda igualar la presión parcial del vapor de agua del aire, el sólido absorbe más agua. Este proceso continúa hasta que toda la masa del sólido se disuelve. El cloruro de calcio y el hidróxido de sodio son ejemplos de sólidos delicuescentes. Presión de Vapor en los Sólidos o Sublimación La curva que indica la variación de la Pv en función de la T° , para los sólidos, se denomina Curva de Sublimación. Esto se debe a que el pasaje desde el sólido hacia el vapor sin pasar por el líquido se lo denomina Sublimación. Análogamente puede hacerse pasar al vapor hacia el sólido, por medio del enfriamiento del vapor, siempre que se cumpla que:Pv < Pv sólido en la fusión. El cambio de estado en la materia va acompañado por una absorción de calor, que será el Calor Latente de Sublimación (H s), el cual viene relacionado con los calores de Fusión (H f) y de Vaporización (Hv), siempre que estén referidos a la misma T°:
H s = H f + Hv
Desarrollo Prueba A: Higroscopia Sobre una luna de reloj se colocó un poco de sulfato de cobre puro anhidro, luego se le expuso al ambiente. Se observó y anotó el cambio de color. Transcurrida una hora, se indicó el estado de agregación final.
Se logró observar que al dejarlo al ambiente, el Sulfato de Cobre cambia de color de blanco a un Celeste claro tipo cian. Pero se sigue manteniendo en su estado inicial (sólido).
Prueba B: Delicuescencia Se dejó sobre una luna de reloj un poco de hidróxido de sodioal ambiente. Se observó y anotó el cambio después de una hora.
Al inicio
después
Al ser expuesto al ambiente el hidróxido de sodio aparentemente el hidróxido de sodio pasa al estado liquido, debido a que este se descompone en un líquido blanquecino. Prueba C: Sublimación Se colocó un gramo de Yodo dentro de un tubo de ensayo, limpio y seco.
Se anotó el color y la fase en el que se encuentra el yodo. En este momento se encuentra en fase sólida y color negrusco propio del yodo. Se tapó un tubo. Se calentó a 80 ºC, 150 ml. de agua en un vaso de 250 ml. Se introdujo el tubo dentro del vasocon agua. Se observó y anotó el color y fase del Yodo después del calentamiento durante dos minutos.
Como se puede observar, en la figura el yodo después del calentamiento pasa una parte a vapor y se colorea de color prácticamente lila. Conclusiones -
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En el caso del sulfato de cobre este absorbe el agua que se encuentra dispersa en el medio que es el aire, esto nos indica que el sulfato de cobre es un material higroscopico, esta reacción hace que el sulfato de cobre forme pequeños cristales rombitos depresencia color azuldeque vendría ser el sulfato de cobre hidratado, esto es debido a la agua en su aestructura. Con el hidróxido de sodio pasa algo similar pero en este caso, de igual manera que en el caso anterior también absorbe humedad del ambiente, pero no forma una nueva estructura como en el caso anterior sino forma una solución, y se puede notar en la muestra porque se forma un liquido blanquecino, pero en su interior se encuentra el hidróxido de sodio disuelto, a este comportamiento de algunas sustancias se le denomina delicuescencia.
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Como el yodo que se evalúa, la mayor parte de este cambia a estado gaseoso se puede ver que es un solido cristalino, pero también libera un gas esto seria el gas de yodo que pasa de solido a gas y no pasa por el estado liquido, y este gas a su vez es de un color lila. A este paso de solido a gas se le denomina sublimación.
Experimento Nº 03: Obtención de solidos cristalinos (a partir de una solución acuosa) Objetivos -
Conocer las propiedades del sulfato de cobre a temperatura ambiente. Conocer algunas aplicaciones del sulfato de cobre. Determinar el tipo de cristalización de esta sustancia. Observar algunas propiedades como la solubilidad y como afecta el calor.
Fundamento Teórico Cristalografía La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando las condiciones de formación son favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y el carácter geométrico de los cristales. La disposición de los átomos en el seno de un cristal puede determinarse por medio del análisis por difracción de los rayos X. La química cristalográfica estudia la relación entre la composición química, la disposición de los átomos y las fuerzas de enlace entre éstos. Esta relación determina las propiedades físicas y químicas de los minerales. Los cristales se agrupan en seis sistemas de simetría: cúbico o isométrico, hexagonal, tetragonal, ortorrómbico, monoclínico y triclínico. El estudio de los minerales constituye una importante ayuda para la comprensión de cómo se han formado las rocas. La síntesis en laboratorio de las variedades de minerales producidos por presiones elevadas está contribuyendo a la comprensión de los procesos ígneos que tienen lugar en las profundidades de la litosfera. Dado que todos los materiales inorgánicos empleados en el comercio son minerales o sus derivados, la mineralogía tiene una aplicación económica directa. Usos importantes de los minerales y ejemplos de cada categoría son las gemas o piedras preciosas y semipreciosas (diamante, granate, ópalo, circonio); los objetos ornamentales y materiales estructurales (ágata, calcita, yeso); los refractarios (asbestos o amianto, grafito, magnesita, mica); cerámicos (feldespato, cuarzo); minerales químicos (halita, azufre, bórax); fertilizantes (fosfatos); pigmentos naturales (hematites, limonita); aparatos científicos y ópticos turmalina), y menas de metales (casiterita, calcopirita, cromita,(cuarzo, cinabrio,mica, ilmenita, molibdenita, galena y esfalerita). Desarrollo Sostener con la mano el tubo de ensayo que contiene sulfato de cobre (solido) en agua y someterlo a calentamiento suave a fuego directo hasta la disolución completa, luego verter la solución acuosa de CuSO 4 caliente a la caja petri .Dejar enfriar a
temperatura de ambiente y observar cada 15 minutos hasta la formación de cristales de CuSO45H2O observar la propagación de la cristalización luego con un palito de fósforos separar varios monocristales en un papel de filtro y observar con una lupa observar y anotar.
Inicialmente el polvo blanco de sulfato de cobre al agregarle agua y someterlo al calor se forma una solución es decir que al calentarlo este favorece entonces estamos apreciando como influye el calor que es el aumento de temperatura para favorezca a la solubilidad luego después de Enfriar al medio ambiente se forman unos cristales de sulfato de cobre pentahidratado CuSO4 ,este tiene un apariencia de un color azulado, al observar con la lupa se pueden apreciar pequeños espejitos .
Muestra de CuSO4 • 5 H2O
Cristal de CuSO4 • 5 H2O
Además el sulfato cúprico pentahidratado CuSO 45H2O tiene un sistema cristalino triclínico podemos apreciar geométricamente el tipo de celda simple que tiene:
celda
triclínico
Conclusiones -
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Podemos concluir de las obs ervaciones que el sul fato de cobre, ha cambiado su estructura molecular porque ahora añadió en su estructura el agua que estuvo presente en la solución, debido a esto es que la cantidad de agua disminuye según va aumentando el tamaño de los cristales. Este método de obtención de solidos cristalinos no es el único, porque hay diversos métodos para obtenerlos el mas común es el que se da de manera natural, por efectos de la presión y la temperatura en la parte interna del manto terrestre. El sulfato de cobre es una sustancia que ti ene una alta afinidad por el ag ua, debido a que reacciona de manera espontánea cuando entra en contacto con ella.
Experimento Nº 04: Modelos de celdas unitarias Objetivos -
Observar las formas que adoptan las moléculas de los solidos y determinar sus propiedades. Determinar si este ordenamiento influye en sus propiedades. Establecer diferencias entre los compuestos por su modelo de celda unitaria.
Fundamento Teórico Cristales La distribución de las partículas en un cristal obedece a un patrón llamado el retículo cristalino. Seintersecciones entiende por se talencuentran a un conjunto de direcciones imaginarias en cuyas las partículas. Los o líneas cristales agrupados en el sistema cúbico adoptan alguno de los siguientes retículos cristalinos: - Retículo cúbico simple: las partículas están ubicadas en los vértices de un cubo, como se observa en la parte a) de la siguiente figura.
a) b) c) Cada vértice es compartido por 8 cubos en la red “infinita” del cristal, luego en cada cubo del retículo simple hay 8 x 1/8 = 1 partícula neta, esto puede verse en la parte a) de la siguiente figura donde se muestra la porción de cada átomo que pertenece a la celda unitaria.
a)
b)
c)
- Retículo cúbico centrado en el cuerpo: hay partículas en cada uno de los 8 vértices y otra en el centro del cubo (parte b) de las figuras). En este retículo la centralnetas. pertenece con exclusividad al cubo, que resulta tener 8 x 1/8 + 1partícula = 2 partículas - Retículo cúbico centrado en las caras: hay partículas en cada vértice y en el centro de cada cara (parte c) de las figuras). En este caso, como cada partícula de centro de cara es compartida por 2 cubos contiguos, en cada cubo hay 8 x 1/8 + 6 x ½ = 4 partículas netas. Número de coordinación: se define como número de coordinación de un cristal al número de partículas que están a la menor e igual distancia de cada una de ellas. La observación de los diagramas de retículos cúbicos permite reconocer que en el retículo cúbico simple el número de coordinación es 6, en el cúbico centrado en el cuerpo es8 y en el cúbico centrado en las caras es12. El retículo cúbico simple es el que adoptan los iones Cl - y los iones Na +, independientemente, en la red cristalina del cloruro de sodio, o sea, conjuntos de iones todos iguales entre sí. El retículo centrado en el cuerpo caracteriza al CsCl, o sea, una sal binaria. Como la relación entre los números de aniones y cationes es 1:1 cada ion Cs + puede visualizarse como ubicado en el centro de un cubo en cuyos ocho vértices hay sendos Cl-, o en un vértice de un cubo que tiene un Cl- como ion central. El retículo cúbico centrado en las caras es habitual en cristales binarios y en cristales formados por una única clase de iones, este tipo de retículo forma una
de las estructuras conocidas como empaquetamiento compacto típico de los metales. Clasificación de los sólidos cristalinos Las propiedades de los sólidos varían ampliamente. Así por ejemplo, el cobre es un buen conductor de la corriente eléctrica, es dúctil y maleable; el cloruro de sodio no conduce la corriente eléctrica al estado sólido, es frágil y duro; el diamante (carbono) es muy duro, corta el vidrio y no conduce la corriente eléctrica; el naftaleno sublima fácilmente a la temperatura ambiente, lo cual se percibe por el olfato, es blando y no conduce la corriente eléctrica. Estas y otras propiedades se explican en función de los tipos de partículas constitutivas y de la naturaleza de los enlaces que mantienen unidas entre sí a esas unidades estructurales de los sólidos. De acuerdo con esto, se puede clasificar a los cristales en: metálicos, iónicos, de redes covalentes o atómicos y moleculares. a) Cristales metálicos Se recuerda que las propiedades macroscópicas que caracterizan a la mayoría de los metales son: elevadas conductividades eléctrica y térmica, ductilidad, maleabilidad y brillo metálico. En estos sólidos, los electrones de enlace se encuentran totalmente deslocalizados ocupando orbítales moleculares que se extienden sobre la totalidad del cristal metálico, en el cual los cationes se ubican en posiciones fijas. La movilidad electrónica resultante explica la alta conductividad eléctrica y térmica de los metales. Se pueden suministrar electrones por medio de un generador de corriente eléctrica a un extremo de un alambre metálico y recuperar una cantidad igual en forma prácticamente instantánea por el otro extremo sin que se produzca ningún cambio observable en las propiedades físicas o químicas del metal. Cuando se calienta el metal los electrones libres pueden adquirir energía cinética térmica y al moverse rápidamente a través del cristal transportar el calor. También la maleabilidad y ductilidad se explican por la existencia de electrones deslocalizados que permiten que las capas de cationes se deslicen unas con respecto a otras y sea posible así laminar o estirar en forma de alambre al metal. Cuando un haz de luz choca con una superficie metálica, origina un movimiento oscilatorio de los electrones superficiales que los convierte en nuevos sistemas emisores de radiaciones electromagnéticas (luz). El efecto neto es que el rayo de luz incidente se refleja dando como resultado el brillo metálico. Sin embargo, no todosposee los metales poseen las propiedades, así por ejemplo, el tungsteno brillo metálico peromismas es quebradizo; el plomo es maleable pero no es buen conductor de la electricidad y el cobre es 65 veces mejor conductor de la electricidad que el bismuto. Otras propiedades como el punto de fusión, el punto de ebullición y la dureza, varían dentro de un amplio intervalo de valores: el mercurio es líquido a temperatura ambiente, mientras que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto entre todos los elementos de la tabla periódica, los metales
alcalinos son tan blandos que algunos pueden ser cortados con un cuchillo, mientras que el osmio es tan duro que puede marcar el vidrio. Estas diferencias dependen de la fuerza del enlace metálico, debida a la atracción electrostática entre los cationes y los electrones deslocalizados. Esta fuerza es tanto mayor cuanto mayor es la carga de dichos cationes y el número de electrones del enlace metálico. El cobre es un ejemplo típico de cristal metálico. b) Cristales iónicos Estos son, en general, duros, quebradizos, buenos aislantes y tienen puntos de fusión y ebullición altos. En la red cristalina iónica, se alternan aniones y cationes, entre los cuales actúan fuerzas electrostáticas de magnitud considerable y no dirigidas, es decir que cada ion del cristal está ligado por fuerzas coulómbicas a todos los otros iones, de tal manera que no hay grupos discretos de partículas. Las fuerzas coulómbicas entre iones de distinto signo son atractivas (negativas) y entre iones de igual signo son repulsivas (positivas)y el valor de la energía de formación del cristal depende de la importancia relativa de cada tipo de fuerza coulómbica. Naturalmente, la estabilidad de los cristales iónicos existentes indica que prevalecen las fuerzas de atracción sobre las de repulsión. Estas fuerzas ínter iónicas explican la dureza y los altos puntos de fusión y ebullición; esto, sumado a la resistencia a la movilidad de los iones de la red, impide la conductividad eléctrica y los convierte en buenos aislantes. En cambio, cuando están fundidos son buenos conductores eléctricos porque los movimientos iónicos se hacen más amplios. Son poco solubles en la mayoría de los solventes, sólo lo hacen en los más polares, como por ejemplo el agua. En estos casos las fuerzas atractivas ionsolvente deben superar las fuerzas ínter iónicas (catión-anión). Esto equivale a decir que la energía de hidratación de los iones supera a la energía reticular del cristal. El cloruro de sodio es uno de los ejemplos de sólido iónico. Son también típicamente iónicos los óxidos, sulfuros, nitruros y haluros de los metales alcalinos y alcalinotérreos. En los cristales iónicos binarios el empaquetamiento no alcanza la compactación en los cristales metálicos porque los radios aniónico y catiónico son, naturalmente, distintos. Algunos retículos característicos son el del CsCl (cúbico centrado en el cuerpo), que aparece en la parte a) de la siguiente figura:
En la estructura de la cicblenda, ZnS (parte b) de la figura anterior), los iones S2- adoptan una celda cúbica centrada en las caras, con los iones Zn 2+, más pequeños, dispuestos de modo que cada uno está rodeado por cuatro iones S2- que forman un tetraedro. El CuCl también adopta esta estructura.
La estructura del NaCl (que consiste en un retículo cúbico simple de Na + ínter penetrado con otro igual de Cl -), característico también de los óxidos y sulfuros de los metales alcalinotérreos. En la parte a) de la siguiente figura hay iones Cl- en las esquinas de la cela unitaria, en b) hay iones Na + en las esquinas de la celda unitaria:
Otro retículo es el del CaF 2 (retículo de la fluorita, que se observa en la parte c) de la figura de la página anterior) que también adoptan otros compuestos binarios tipo B2+A2-. Se denominan retículos de la antifluorita a los de compuestos binarios de fórmula general B 2+A2- como los óxidos y sulfuros de los metales alcalinos. Un retículo más complicado es el de algunos aluminatos u óxidos dobles naturales llamados espinelas que incluyen el ion Al 3+ e iones Me 2+. La espinela prototipo es la de magnesio: Al2O3.MgO o (AlO2)2Mg. c) Cristales de redes covalentes o atómicos Se caracterizan por una elevada dureza, altos puntos de fusión y ebullición, bajalosconductividad de solventes. eléctrica y por ser prácticamente insolubles en la mayoría Las unidades estructurales son átomos unidos en una red tridimensional por enlaces covalentes direccionales. Este enlace covalente, de pares de electrones localizados, extendido a todo el cristal es lo suficientemente fuerte para justificar las propiedades citadas. Ejemplos típicos de estos sólidos son el diamante, el silicio, un alótropo del estaño y el carborundo, SiC. En el diamante cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos de carbono como se muestra en la parte a) de la siguiente figura:
Esta matriz tridimensional interconectada de fuertes enlaces sencillos carbono-carbono contribuye a la inusitada dureza del diamante. Los diamantes de grado industrial se emplean en las cuchillas de las sierras para los trabajos de corte más exigentes. En congruencia con su estructura y enlaces, el diamante también tiene un elevado punto de fusión, 3550°C. En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados como se muestra en la parte b) de la figura anterior. Cada átomo de carbono está unido a otros tres de la capa. La distancia entre carbonos adyacentes en el plano, 1,42 Å, es muy cercana a la distancia C-C en el benceno, 1,395 Å. De hecho, los enlaces se parecen a los del benceno, con enlacesπ deslocalizados que se extienden sobre las capas. Los electrones se mueven libremente por los orbitales deslocalizados, y esto hace que el grafito sea un buen conductor de la electricidad a lo largo de las capas (el electrodo central de la batería está hecho de grafito). Las capas, separadas 3,41 Å, se mantienen unidas por débiles fuerzas de dispersión. Las capas se deslizan fácilmente unas sobre otras cuando se frotan, lo que da a la sustancia una sensación grasosa. El grafito se utiliza como lubricante y para fabricar la punta de los lápices. d) Cristales moleculares Estos sólidos tienen puntos de fusión y ebullición bajas o moderadas, son blandos, conductores pobres de la corriente eléctrica tanto en estado sólido como cuando están fundidos y son generalmente, insolubles en agua. Las fuerzas de unión intermoleculares son interacciones dipolo inducidodipolo inducido de London en los sólidos no polares y dipolo-dipolo o puente de hidrógeno para los polares. Dado que dichas fuerzas son débiles se justifican las propiedades macroscópicas. La mayor parte de las sustancias que a temperatura ambiente son gases, cuando cristalizan forman sólidos moleculares, por ejemplo el oxígeno. En cambio aquellas sustancias cuyas moléculas son fácilmente polarizables, a la misma temperatura, son sólidos. Un ejemplo es el naftaleno. En la siguiente tabla se resumen las propiedades de los distintos tipos de cristales: Cristal Iónico
Tipode enlace Iónico
Dureza
Punto de fusión Duros y Bastante quebradizos altos
Molecular
Dipolos
Blandos
polar permanentes De red Covalente Duros covalente Metálico
Metálico
Variable
Bajos
Conductivida Ejemplos d eléctrica Baja NaCl, K2CO3, Na2SO4 Baja H2O, CO 2,
Altos
Baja
Medios y Buena altos excelente Molécula no Por fuerzas Muy blandos Muy bajos Muy baja polar de London
CH4 Diamante Cuarzo (SiO2) o Fe, Al, Hg, Na Cl 2, He, Ar
Conclusiones -
Podemos observar que las propiedades tanto físicas como químicas de los compuestos dependen del ordenamiento que tienen las moléculas. Los diferentes ordenamientos de los átomos en la celda determinan propiedades únicas e invariables en un compuesto, esto del ordenamiento solo se puede hacer visible en solidos cristalinos, mas no en un solido amorfo, debido a que en el solido amorfo no existe un ordenamiento definido.
Experimento Nº 05: Determinación de la temperatura de ebullición del Alcohol Etílico Objetivos -
Determinar experimentalmente la temperatura de ebullición del Alcohol Etílico y compararlo con el valor teórico. Determinar algunas propiedades de los líquidos en este caso el alcohol etílico.
Fundamento Teórico Definición de términos clave - Punto de fusión. Condiciones de presión y temperatura alas cuales se
produce el paso del estado sólido a líquido en una sustancia.
- Punto de ebullición. Condiciones de presión y temperatura a las cuales
se produce el paso del estado líquido a gaseoso en una sustancia, conservándose el equilibrio de las dos fases. - Presión de vapor de sólidos. Es la presión ejercida por el vapor de un elemento en equilibrio con su fase sólida. - Presión de vapor de líquidos. Es la presión ejercida por el vapor de un elemento en equilibrio con su fase líquida.
En el siguiente experimento se pretende hallar experimentalmente el valor de la temperatura de ebullición del alcohol etílico. Para ello seguiremos el procedimiento indicado. Dicho procedimiento consiste en utilizar al agua como un conductor de calor, estando nuestra sustancia principal (Alcohol) dentro de un insignificante tubo capilar. Podemos predecir que el agua conducirá el calor de una manera eficiente y por lo tanto del Alcohol empezarán a salir burbujas y posteriormente, vaporizándose. También podemos predecir que el punto de ebullición del alcohol es relativamente alto como el del agua, pues ambos son compuestos moleculares y presentan enlaces de puente de Hidrógeno entre sus átomos. Desarrollo a) Se echó en el tubo de prueba 2,5 ml de alcohol etílico. b) Se procedió a sellar el tubo capilar por uno de sus lados (mediante suministro de calor en el mechero) y se introdujo en el tubo con alcohol.
c) Se sujetó el tubo de prueba al termómetro mediante la liga de jebe.
d) Se sujetó el termómetro externamente y adyacente al tubo de prueba con alcohol. El extremo del termómetro con mercurio estaba, lógicamente, hacia abajo. e) Se sumergió todo el conjunto en el vaso de 250cm3. f) Se llenaron las ¾ partes del vaso con agua, de modo que la altura del agua rebasó por algunos milímetros el nivel de alcohol contenido en el tubo de prueba.
g) Tantodel el fondo termómetro como tuboque adyacente quedaron cierta altura por encima del vaso (de el modo no hagan contactoa de ninguna clase).
h) El vaso y su contenido se calentaron con el mechero suavemente, a través de la rejilla, y agitando el agua con movimientos verticales (se usó un agitador en forma de anillo circular, de modo que no hiciera contacto con el vaso, tubo o termómetro).
i) Primero se observó que el capilar se llenaba completamente con el alcohol (inicialmente frío). Luego, a medida que se iba formando vapor de alcohol, éste bombeaba la parte líquida hacia fuera del capilar. La temperatura a la cual salía la primera burbuja del capilar fue de 68º. j) Se dejó al alcohol calentado hasta 90º. Luego se retiró el mechero. k) Al retirar el mechero la sustancia inició su enfriamiento. A los 80º, una última burbuja emergió a la superficie.
Conclusiones Después de lo observado, se puede afirmar que la temperatura de ebullición del Alcohol Etílico esta entre 68 y 70 ºC. Este se aproxima al valor teórico, de 78 ºC (no se aproxima por completo debido a la presencia de impurezas en la muestra con la que se trabajó). Ésta temperatura es una propiedad intensiva, esto es, no depende de qué tanta sustancia utilicemos para efectuar la medición. Podemos afirmarlo con
base en el hecho de que, si dependiese de la cantidad de sustancia, entonces la temperatura sería (por deducción) mucho menor que la que hemos obtenido. También debemos decir que después de retirar la fuente de calor el proceso de ebullición disminuyo continuamente. Por ello, a 80 ºC salió la última burbuja de alcohol. Ya no podrían salir más, pues ya no había energía para desprender vapor de alcohol. CUESTIONARIO 1.- Calcular el porcentaje de error de los datos obtenidos experimentalmente: -
Alcohol Etílico (Etanol) Temperatura de Ebullición (Experimental): 78ºC Temperatura de Ebullición (Teórica) : 78.5ºC % de error : 0.0064%
-
Naftalina (Naftaleno) Temperatura de Fusión (Experimental) Temperatura de Fusión (Teórica) % de error
: 80ºC : 80.2ºC : 0.0025%
Estos tienen un porcentaje de error debido a las condiciones externas, como son la temperatura en ese momento, la humedad relativa, la presión atmosférica, etc. 2.- Mostrar Diagramas de Fase para el agua y el dióxido de carbono:
Diagrama de Fases del Dióxido de Carbono P
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3.- ¿Por qué es importante conocer la temperatura de fusión, temperatura de ebullición de las sustancias? Es importante tener estos datos para tenerlos en cuenta, para que cuando los tratemos para su aplicación en la vida diaria, las personas que los manipulen tengan precaución para el manejo de estas sustancias. Ademas sirve para poder aumentar la cantidad de información que tenemos acerca de estas. Los solidos y líquidos forman parte de nuestra vida diaria por eso es muy importante conocer sus propiedades, precisamente a temperatura ambiente en donde nos encontramos, para poder así evitar contratiempos. 4.- ¿Por qué es importante tener conocimiento del tipo de empaquetamiento de un solido cristalino? Como ya se menciono el ordenamiento de las moléculas, es el factor determinante de las propiedades físicas y químicas de la sustancia, además que también determinan la forma que adopta en la naturaleza el compuesto en cuestión. 5.- ¿Influye el tipo de empaquetamiento en las propiedades físicas de un solido cristalino? Definitivamente, como se vuelve a mencionar este es el factor determinante de la propiedades que tiene un solido, tales como puede ser la maleabilidad, ductibilidad, dureza, orden de empaquetamiento, etc. Esto sirve para poder saber en que cosa se puede utilizar estos compuestos según sus propiedades tanto físicas como químicas.
BIBLIOGRAFIA - Química, Raymond Chang - Química General, Umland-Bellama - Química: La Ciencia Central, Theodore L. Brown - Química General, Frederick Longo - http://es.wikipedia.org - http://dta.utalca.cl/quimica/profesor/urzua/cap5/e_materia/estados.htm - http://www.fq.uh.cu/dpto/qi/nestor/enlace_web/solidos_web.htm - http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/sistemas%20cristalinos.html - http://edafologia.ugr.es/optmine/intro/isoanis.html - Enciclopedia Encarta 2007 - Apuntes de Salón
