cambios de fase

CAMBIOS DE FASE

• Los cambios de fase, o lastransformaciones de una fase a otra, sepresentan cuando se agrega o se quitaenergía (casi siempre en forma de calor).

• Los cambios de fase son cambios físicosque se distinguen porque cambia el ordenmolecular;

• En la fase sólida lasmoléculas alcanzanel máximoordenamiento, y enla fase gaseosatienen el mayordesorden.

• Conviene tener en mente que la relaciónentre el cambio de energía y el aumento odisminución del orden molecular ayudará aentender la naturaleza de estos cambiosfísicos.

EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR

• Las moléculas de un líquidono están fijas en un retículorígido. Aunque carecen de lalibertad total de movimiento delas moléculas gaseosas, estánen continuo movimiento.


• Como los líquidosson más densosque los gases, lavelocidad decolisión entre lasmoléculas es muchomayor en la faselíquida que en lafase gaseosa.


• Cuando las moléculas de un líquido tienensuficiente energía para escapar de lasuperficie, sucede un cambio de fase.


• La evaporación o vaporización es elproceso en el cual un líquido se transformaen un gas.


• ¿En qué forma depende la evaporación de la temperatura?

• La figura siguiente muestra la distribución de energía cinética de las moléculas de un líquido a dos temperaturas distintas.


• Como se observa, cuanto mayor es latemperatura, mayor es la energía cinéticay, por tanto, más moléculas dejan la faselíquida.


• a) a temperarura T1 y• b) a una temperatura mayor. T2.• Observe que a esta última temperatura la

curva se aplana.

CURVAS DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA CINÉTICA PARA LAS MOLÉCULAS DE UN LÍQUIDO


• Las áreas sombreadas representan elnúmero de moléculas que tienen energíacinética igualo mayor que una ciertaenergía cinética E1.

• A mayor temperatura mayor será elnúmero de moléculas con energíacinética alta

PRESIÓN DE VAPOR

• Cuando un líquido seevapora, susmoléculas gaseosasejercen una presiónde vapor.

• Examine el aparato que se muestra en lafigura . Antes de que inicie el proceso deevaporación, los niveles de mercurio delmanómetro en forma de U son iguales.

• En cuanto algunas moléculas dejan ellíquido, se establece la fase de vapor.

• La presión de vapor es medible sólocuando hay una cantidad suficiente devapor.

• Sin embargo, el proceso de evaporaciónno continúa indefinidamente; en ciertomomento los niveles de mercurio seestabilizan y ya no se observan cambios.

APARATO PARA MEDIR LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LIQUIDO

La diferencia entre los niveles de mercurio h proporciona la presiónde vapor de equilibrio del líquido a la temperatura especificada.

a) Al inicio el liquido se congela así que nohay presión de vapor

b) Al calentarse, se forma una fase liquiday empieza la evaporación en el equilibrioel numero de moléculas que dejan elliquido es igual al número ele moléculaque regresan a él.

¿QUÉ SUCEDE EN EL NIVEL MOLECULAR DURANTE LA EVAPORACIÓN?

• Al principio, el tráfico es en un solo sentido:las moléculas se desplazan desde ellíquido hacia el espacio vacío. En cuantolas moléculas dejan el líquido, establecenuna fase de vapor.

¿QUÉ SUCEDE EN EL NIVEL MOLECULAR DURANTE LA EVAPORACIÓN?

• Cuando aumenta la concentración de lasmoléculas en la fase de vapor, algunas secondensan, es decir, regresan a la fase líquida.

• El proceso de condensación, o el cambio de lafase gaseosa a la fase líquida, ocurre cuandouna molécula choca en la superficie del líquido yqueda atrapada por las fuerzas intermolecularesdel líquido.

• La velocidad de evaporación es constantea una temperatura dada y la velocidad decondensación aumenta con el incrementoen la concentración de las moléculas en lafase de vapor.

• En cierto momento se llega a un estado deequilibrio dinámico, cuando la velocidad delproceso en un sentido está exactamentebalanceada por la velocidad del procesoinverso, es decir, cuando las velocidadesde condensación y de evaporación seigualan (figura siguiente).

COMPARACIÓN DE LAS RAPIDECES DEEVAPORACIÓN Y CONDENSACIÓN A TEMPERATURACONSTANTE

• La presión de vaporde equilibrio es lapresión de vapormedida cuando hayun equilibriodinámico entre lacondensación y laevaporación.

• Con frecuencia, sólo se emplea el término"presión de vapor" para describir la presiónde vapor de equilibrio de un líquido.

• Este término es aceptable en tanto seconozca el significado del términoabreviado.

• Es importante observar que la presión devapor de equilibrio es la máxima presión devapor de un líquido a una temperaturadada y que permanece constante atemperatura constante.

• De aquí se desprende que la presión devapor de un líquido aumenta con latemperatura. Los gráficos de presión devapor en función de la temperatura paratres líquidos distintos que aparecen en lafigura siguiente, lo confirman.

INCREMENTO DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA PARA TRES LÍQUIDOS

CALOR MOLAR DE VAPORIZACIÓN & PUNTO DE EBULLICIÓN

• El calor molar devaporización (ΔHvap)es una medida de laintensidad de lasfuerzasintermoleculares que seejercen en un líquido.


• Esta propiedad se define como la energía(por lo general, en kilojoules) necesariapara evaporar un mol de un líquido.

• El calor molar de vaporización estárelacionado directamente con la magnitudde las fuerzas intermoleculares que hay enel líquido.


• Si la atracción intermolecular es fuerte, senecesita mucha energía para liberar a lasmoléculas de la fase líquida.

• Por consecuencia, el líquido tiene unapresión de vapor relativamente baja y unelevado calor molar de vaporización.


• El análisis previo predice que la presión deequilibrio (P) de un líquido debería deincrementarse con el aumento detemperatura, como se muestra en la figuraanterior.

ECUACIÓN DE CLAUSIUS –CLAPEYRON

• La relación cuantitativa entre la presión devapor P de un líquido y la temperaturaabsoluta T está dada por la ecuación deClausius –Clapeyron.

ln 11.2vapHP C

RT


• Donde In es el logaritmo natural,• R es la constante de los gases (8:314 J/°K

. mol), y• C es una constante.


• La ecuación de Clausius-Clapeyron tienela forma de la ecuación de la recta

• y = mx + b:

1ln vapHP C

R T

y m x b


• El método que se utiliza para determinar loscalores de vaporización de los líquidosconsiste en medir la presión de vapor de unlíquido a distintas temperaturas.

• Del gráfico de In contra 1/T se determina lapendiente de la recta, que es igual a –(Δhvap/R). (Se supone que ΔHvap esindependiente de la temperatura.)


• En la figura siguiente se muestran losgráficos de In ln P contra 1/T para agua yéter dietílico Advierta que la pendiente dela recta para el agua es mayor porque suΔHvap es mucho mayor.

GRÁFICOS DE IN P EN FUNCIÓN DE 1/T PARA EL AGUA Y EL ÉTER DIETILICO.


• La ecuación de Clausius-Clapeyron seutiliza para calcular la presión de vapor deun líquido a temperaturas distintas.


11

22

ln 3

ln 4

vap

vap

HP C

RTH

P CRT


• Al restar la ecuación (4) de la ecuación (3)se obtiene

1 21 2

2 1

ln ln

1 1

vap vap

vap

H HP P

RT RT

HR T T


• Por tanto

1 1 2

2 1 2

ln 5vapHP T TP R TT


• El ejemplo siguiente es una aplicación dela ecuación (5) .

• ..\ejemplo 11-7.xlsx


• La forma más sencilla de demostrar elcalor molar de vaporización consiste enfrotar alcohol en las manos, como etanol(C2H50H) o isopropanol (C3H70H) (oalcohol de pulido).


• Estos alcoholes tienen unΔHvap menor que el delagua, de manera que elcalor de las manos essuficiente para aumentar laenergía cinética de lasmoléculas de alcohol yevaporarlas.


• Las manos se sienten frías debido a lapérdida de calor.


• Este proceso es semejante ala transpiración, una de lasformas por las que el cuerpohumano mantiene unatemperatura constante.


• Debido a la fuerza de losenlaces de hidrógenointermoleculares del agua, senecesita una cantidadconsiderable de energía paraevaporar el agua del sudor dela superficie del cuerpo.


• Esta energía la aporta el calor generado envarios procesos metabólicos.


• Se ha visto que la presión de vapor de unlíquido aumenta con la temperatura. Cadalíquido tiene una temperatura en la quecomienza a hervir.

• El punto de ebullición es la temperatura a lacual la presión de vapor de un líquido es iguala la presión externa.


• El punto de ebullición normal de un líquidoes la temperatura a la cual hierve cuandola presión externa es 1 atrn.


• En el punto de ebullición se formanburbujas dentro del líquido.

• Cuando se forma una burbuja, el líquidoque originalmente ocupaba ese espacio esempujado hacia los lados, obligando a queaumente el nivel del líquido en elrecipiente.


• La presión ejercida sobre la burbuja es lapresión atmosférica más un poco depresión hidrostática (es decir, la presióndebida a la presencia de líquido).

• La presión dentro de la burbuja se debesólo a la presión de vapor del líquido.


• Cuando la presión de vapor se iguala a lapresión externa, la burbuja sube a lasuperficie del líquido y revienta.


• Si la presión de la burbuja fuera menor que lapresión externa, se colapsaría antes de podersubir.

• Se concluye entonces que el punto de ebulliciónde un líquido depende de la presión externa.(Casi siempre se ignora la pequeña contribuciónde la presión hidrostática.)


• Por ejemplo, a 1 atm, elagua ebulle a 100°C, pero sila presión se reduce a 0.5atm, el agua hierve a sólo82°C.


• Como el punto de ebullición se define entérminos de la presión de vapor del líquido,se espera que el punto de ebullición serelacione con el calor molar devaporización: a mayor ΔHvap, mayor será elpunto de ebullición.

LOS DATOS DE LA TABLA CONFIRMAN MÁS O MENOS ESTA PREDICCIÓN.


• En última instancia, el punto de ebullición yel ΔHvap están determinados por lamagnitud de las fuerzas intermoleculares.


• Por ejemplo, el argón (Ar) y el metano(CH4), que tienen fuerzas de dispersióndébiles, tienen puntos de ebullición bajos ycalores molares de vaporización pequeños.


• El éter di etílico (C2H5OC2H5) tiene unmomento dipolar, y las fuerzas dipolo-dipolo explican su punto de ebullición yΔHvap .moderadamente altos.


• Tanto el etanol (C2H5OH) como el agua tienenenlaces de hidrógeno fuertes, y son losresponsables de sus puntos de fusión altos yvalores de ΔHvap grandes.

DIAGRAMAS DE FASE

DIAGRAMAS DE FASE

• Las relacionescompletas entre lasfases sólida, líquida yde vapor se representanmejor en un solo gráficoconocido comodiagrama de fases.

DIAGRAMAS DE FASE

• Un diagrama de fases resume lascondiciones en las cuales una sustanciaexiste como sólido, líquido o gas.

• En esta sección se analizarán losdiagramas de fases del agua y del dióxidode carbono.

DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA

DIAGRAMA DE FASES DEL AGUA• a) Diagrama de fases del agua.• Cada línea sólida entre dos fases especifica las

condiciones de presión y temperatura en lasque pueden coexistir las dos fases en elequilibrio.

• El punto en el que las tres fases pueden existiren equilibrio (0.006 atm y 0.01 °C) se conocecomo punto triple


• b) Este diagrama de fases indica que alaumentar la presión del hielo disminuye supunto de fusión, y que al aumentar lapresión del agua líquida se incrementa supunto de ebullición


• El punto en el que se unen las tres curvasse denomina punto triple , y corresponde ala única condición en la que las tres fasespueden estar en equilibrio recíproco. Parael agua, este punto está a 0.001 °C y0.006 atm.

DIAGRAMAS DE FASE

• Los diagramas de fasespermiten predecir loscambios en el punto defusión y en el punto deebullición de unasustancia debido a loscambios de la presiónexterna.

DIAGRAMAS DE FASE• También permiten anticipar las direcciones de

las transiciones de las fases producidas por loscambios de temperatura y presión.

DIAGRAMAS DE FASE

• Los puntos normales de fusión y deebullición del agua a 1 atm de presión son:

• 0 °C y 100 °C, respectivamente.

¿QUÉ PASARÍA SI EL AGUA SE FUNDIERA O HIRVIERA A ALGUNA OTRA PRESIÓN?

• La figura anterior muestra que si la presión aumenta por arriba de 1 atm, aumentará el punto de ebullición y disminuirá el punto de fusión.

• Una disminución en la presión producirá un menor punto de ebullición e incrementará el punto de fusión.

DIÓXIDO DE CARBONO

• El diagrama de fases del dióxido decarbono (ver figura) tiene muchasemejanza con el del agua, con unaexcepción importante: la pendiente de lacurva entre las fases sólida y líquida espositiva.

DIÓXIDO DE CARBONO

• De hecho, esto es válido para casi todas lasdemás sustancias.

• El agua se comporta de otra forma porque elhielo es menos denso que el agua líquida. Elpunto triple del dióxido de carbono está a 5.2atm y -57°C.

DIÓXIDO DE CARBONO• Diagrama de fases del CO2. Observe que la

línea divisoria entre el sólido y el líquido tieneuna pendiente positiva.

RESUMEN DE CONCEPTOS

• Todas las sustancias existen en uno detres estados: gaseoso, líquido o sólido,La principal diferencia entre el estadocondensado y el gaseoso es la distanciaque separa a las moléculas,


• Las fuerzas intermoleculares actúanentre las moléculas o entre losmoléculas y los iones. Estas fuerzas deatracción casi siempre son mucho másdébiles que las fuerzas de enlace.


• Las fuerzas dipolo-dipolo y las fuerzasion-dipolo atraen moléculas conmomentos dipolares hacia otrasmoléculas polares o iones.

RESUMEN DE CONCEPTOS• Las fuerzas de dispersión se deben a los

momentos di polares temporales inducidos enmoléculas que suelen ser no polares.

• El grado de polarización de una molécula esuna medida de la facilidad para inducirle unmomento dipolar. Con el término "fuerzas devan der Waals" se hace referencia al efectototal de las interacciones dipolo-dipolo dipolo-dipolo inducido y fuerzas de dispersión


• El enlace de hidrógeno es unainteracción dipolo-dipolo relativamentefuerte entre un enlace polar quecontiene un átomo de hidrógeno y unátomo electronegativo de O, N o F. Losenlaces de hidrógeno son muy fuertes,en especial entre las moléculas de agua.


• Los líquidos tienden a adoptar unageometría con el mínimo del áreasuperficial. La tensión superficial es laenergía necesaria para expandir el áreasuperficial de un líquido; las fuerzasintermoleculares grandes conducen auna mayor tensión superficial.


• La viscosidad es una medida de laresistencia de un líquido a fluir; estapropiedad disminuye con el aumento detemperatura.

RESUMEN DE CONCEPTOS• Las moléculas de agua en el estado sólido

forman una red tridimensional en la que cadaátomo de oxígeno está unido por enlacescovalentes a dos átomos de hidrógeno, asícomo a otros dos átomos de hidrógeno porenlaces o puentes de hidrógeno.

• Esta estructura única explica por qué el hieloes menos denso que el agua líquida,propiedad que permite la sobrevivencia delos seres vivos bajo el hielo en estanques ylagos en los climas fríos.


• El agua es también la sustancia más aptadesde el punto de vista ecológico gracias asu alto calor específico, otra propiedad quele imparten los fuertes enlaces dehidrógeno. Los grandes depósitos de aguatienen la capacidad de moderar el clima delplaneta al absorber y generar cantidadessustanciales de calor con sólo pequeñoscambios en su temperatura.


• Todos los sólidos son cristalinos (conuna estructura regular de átomos, ioneso moléculas) o amorfos (sin unaestructura regular). El vidrio es unejemplo de un sólido amorfo.


• La unidad estructural básica de unsólido cristalino es la celda unitaria. lacual se repite para formar un retículocristalino tridimensional.

• La difracción de rayos X ha dado muchainformación para conocer lasestructuras de los cristales.

RESUMEN DE CONCEPTOS• Los cuatro tipos de cristales y las fuerzas

que mantienen unidas a sus partículasson: cristales iónicos, unidos por enlacesiónicos; cristales covalentes unidos porenlaces covalentes; cristalesmoleculares, unidos por fuerzas de vander Waals y/o enlaces de hidrógeno, ycristales metálicos, unidos por enlacesmetálicos.


• Un líquido contenido en un recipientecerrado establece un equilibriodinámico entre la evaporación y lacondensación.

• En estas condiciones la presión delvapor sobre el líquido es la presión devapor de equilibrio, conocidasimplemente como "presión de vapor".

RESUMEN DE CONCEPTOS• En el punto de ebullición, la presión de

vapor de un líquido es igual a la presiónexterna.

• El calor molar de vaporización de unlíquido, es decir, la energía necesaria paraevaporar un mol del líquido, se puededeterminar al medir la presión de vapordel líquido en función de la temperatura ycon la ecuación de Clausius-Clapeyron.


• El calor molar de fusión de un sólido esla energía necesaria para fundir un moldel sólido


• Para cada sustancia hay unatemperatura, denominada temperaturacrítica, por arriba de la cual no esposible licuar su fase gaseosa.

RESUMEN DE CONCEPTOS• Las relaciones entre las fases de una sola

sustancia se representan por medio de undiagrama de fases, donde cada regiónrepresenta una fase pura y los límitesentre las regiones muestran lastemperaturas y presiones a las cuales dosfases están en equilibrio.

• En el punto triple, las tres fases están enequilibrio

PREGUNTAS DE REPASO

• ¿Por qué los líquidos, a diferencia de losgases, son prácticamente incompresibles?

PREGUNTAS DE REPASO

• ¿Qué es la tensión superficial? ¿Quérelación existe entre esta propiedad y lasfuerzas intermoleculares?

PREGUNTAS DE REPASO

• A pesar de que el acero inoxidable esmucho más denso que el agua, una navajade afeitar de acero inoxidable puede flotaren el agua.

• ¿Por qué?

PREGUNTAS DE REPASO

• Un vaso se puede llenar con agua justo porencima del borde.

• ¿Por qué el agua no se derrama?

PREGUNTAS DE REPASO

• Dibuje diagramas que muestren la accióncapilar de

• a) el agua y• b) el mercurio en tres tubos de diferente

radio.

PREGUNTAS DE REPASO

• ¿Qué es la viscosidad?• ¿Cuál es la relación entre las fuerzas

intermoleculares y la viscosidad?

cambios de fase

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