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Ensayos fisicoquímicos

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Ensayos fisicoquímicos

Gemma Olmo Bueno

© Gemma Olmo Bueno

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono 91 593 20 98http://www.sintesis.com

ISBN: 978-84-907714-4-0Depósito Legal: M-25.092-2015

Impreso en España - Printed in Spain

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de Editorial Síntesis, S. A.

5

PRÓLOGO .......................................................................................................................................... 11

1. LA MATERIA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO ......................................................................... 13

Objetivos ...................................................................................................................................... 13Mapa conceptual ....................................................................................................................... 14Glosario ........................................................................................................................................ 141.1. Estados de agregación de la materia ...................................................................... 151.2. Tipos de enlace .............................................................................................................. 17

1.2.1. Enlace iónico.......................................................................................................... 171.2.2. Enlace covalente .................................................................................................... 191.2.3. Enlace metálico...................................................................................................... 19

1.3. Estado sólido .................................................................................................................. 201.3.1. Propiedades y características del estado sólido................................................... 201.3.2. Cristalización. Sistemas y estructuras cristalinas .................................................... 211.3.3. Diagramas de fases de sólidos. Aleaciones .......................................................... 23

1.4. Estado líquido ................................................................................................................ 261.4.1. Propiedades y características del estado líquido ................................................. 261.4.2. Disoluciones........................................................................................................... 27

1.5. Estado gaseoso .............................................................................................................. 301.5.1. Propiedades y características del estado gaseoso................................................ 311.5.2. Solubilidad de los gases en los líquidos............................................................... 311.5.3. Compresibilidad de un gas ................................................................................... 32

1.6. Cambio de estado ......................................................................................................... 331.6.1. Temperatura y calor................................................................................................ 331.6.2. Leyes de los cambios de estado y propiedades derivadas ................................. 361.6.3. Equilibrios y diagramas de fases. Punto crítico. Punto triple................................. 381.6.4. Propiedades coligativas de las disoluciones......................................................... 41

ÍNDICE

SÍndice

6

Resumen ....................................................................................................................................... 45Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 46Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 47Práctica n.º 1 ............................................................................................................................... 48Práctica n.º 2 ............................................................................................................................... 50

2. LA DENSIDAD ............................................................................................................................. 53

Objetivos ...................................................................................................................................... 53Mapa conceptual ....................................................................................................................... 54Glosario ........................................................................................................................................ 552.1. Densidad .......................................................................................................................... 55

2.1.1. Densidad y peso específico. Conceptos .............................................................. 552.1.2. Relación entre densidad absoluta, densidad relativa y peso específico ............. 582.1.3. Densidad de los gases........................................................................................... 592.1.4. Influencia de la temperatura y la presión en la medida de la densidad............... 602.1.5. Densidad de las mezclas....................................................................................... 62

2.2. Determinación de la densidad de los líquidos .................................................... 632.2.1. Determinación de la densidad con un picnómetro de líquidos .......................... 632.2.2. Determinación de la densidad de los líquidos viscosos ...................................... 662.2.3. Determinación de la densidad de un líquido por inmersión.

Principio de Arquímedes ...................................................................................... 682.2.4. Determinación de la densidad de los líquidos con un densímetro digital .......... 722.2.5. Otros métodos de medida ................................................................................... 742.2.6. Comparación de los diferentes métodos para determinar la densidad

de los líquidos....................................................................................................... 742.3. Determinación de la densidad de los sólidos ...................................................... 75

2.3.1. Determinación de la densidad de los sólidos regulares....................................... 752.3.2. Determinación de la densidad de los sólidos irregulares..................................... 772.3.3. Determinación de la densidad de los sólidos particulados ................................. 78

2.4. Determinación de la densidad de los gases ......................................................... 81Resumen ....................................................................................................................................... 81Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 82Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 83Práctica n.º 3 ............................................................................................................................... 84Práctica n.º 4 ............................................................................................................................... 85

3. LA VISCOSIDAD.......................................................................................................................... 87

Objetivos ...................................................................................................................................... 87Mapa conceptual ....................................................................................................................... 88Glosario ........................................................................................................................................ 893.1. Viscosidad ......................................................................................................................... 89

3.1.1. Viscosidad absoluta o dinámica ........................................................................... 913.1.2. Viscosidad relativa o cinemática ........................................................................... 92

3.2. Características de los fluidos ..................................................................................... 963.3. Tipos de fluidos.............................................................................................................. 96

3.3.1. Fluidos newtonianos .............................................................................................. 973.3.2. Fluidos no newtonianos......................................................................................... 97

ENSAYOS FISICOQUÍMICOS

ÍNDICE

7

3.4. Ley de Ostwald o ley de la potencia ...................................................................... 1013.5. Reometría. Índice de fluidez...................................................................................... 1033.6. Estudio del comportamiento de la viscosidad con la temperatura

y la presión ...................................................................................................................... 1033.7. Ensayos de determinación de la viscosidad ......................................................... 106

3.7.1. Determinación de la viscosidad con un viscosímetro capilar............................... 1073.7.2. Determinación de la viscosidad con viscosímetros de orificio o copa................ 1113.7.3. Determinación de la viscosidad con un viscosímetro rotacional.......................... 1183.7.4. Determinación de la viscosidad con un viscosímetro de bola Höppler .............. 1213.7.5. Reómetro................................................................................................................ 1223.7.6. Otros sistemas de medida..................................................................................... 123


4. TENSIÓN SUPERFICIAL ............................................................................................................. 131

Objetivos ...................................................................................................................................... 131Mapa conceptual ....................................................................................................................... 132Glosario ........................................................................................................................................ 1324.1. Tensión superficial. Concepto y unidades ............................................................. 133

4.1.1. Factores que afectan a la tensión superficial ......................................................... 1354.1.2. Consecuencias de la tensión superficial................................................................ 140

4.2. Determinación experimental de la tensión superficial de los líquidos ......... 1464.2.1. Método de la medición de la tensión superficial con

un estalagmómetro o una pipeta........................................................................... 1464.2.2. Determinación de la tensión superficial con una balanza de torsión.

Anillo de Dunoy..................................................................................................... 1484.2.3. Determinación de la tensión superficial mediante el método de la placa.

Método Wilhelmy .................................................................................................. 1494.2.4. Determinación de la tensión superficial por capilaridad. Ley de Jurin................. 1504.2.5. Otros métodos....................................................................................................... 150


5. ENSAYOS TÉRMICOS ................................................................................................................ 159

Objetivos ...................................................................................................................................... 159Mapa conceptual ....................................................................................................................... 160Glosario ........................................................................................................................................ 1615.1. Determinación del punto de fusión ........................................................................ 161

5.1.1. Determinación del punto de fusión mediante método del capilar ..................... 1625.1.2. Determinación del punto de fusión con un tubo Thiele ....................................... 1635.1.3. Determinación del punto de fusión con un aparato Fisher-Johns ........................ 164

ÍNDICE

ÍNDICE

8

5.2. Determinación del punto de reblandecimiento y punto de gota ................. 1655.3. Determinación del punto de ebullición ................................................................. 166

5.3.1. Determinación del punto de ebullición con un tubo de ensayo ......................... 1685.3.2. Determinación del punto de ebullición por destilación....................................... 168

5.4. Punto de inflamación y punto de ignición ............................................................ 1725.4.1. Determinación del punto de inflamación.............................................................. 173

5.5. Calibración y verificación de un termómetro ....................................................... 174Resumen ....................................................................................................................................... 175Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 175Práctica n.º 9 ............................................................................................................................... 176Práctica n.º 10 ............................................................................................................................ 178

6. ENSAYOS CALORIMÉTRICOS .................................................................................................. 181

Objetivos ...................................................................................................................................... 181Mapa conceptual ....................................................................................................................... 182Glosario ........................................................................................................................................ 1836.1. Conceptos generales.................................................................................................... 1836.2. Principios de la termodinámica ................................................................................. 183

6.2.1. Calor y capacidad calorífica .................................................................................. 1856.2.2. Transmisión del calor ............................................................................................. 1896.2.3. Termodinámica del cambio de estado. Calor sensible y calor latente ................. 190

6.3. Termoquímica. Calor de reacción. Calor de disolución..................................... 1926.4. El calorímetro ................................................................................................................. 193

6.4.1. Determinación del calor de cuerpos y sustancias................................................. 1946.4.2. Determinación de la constante de un calorímetro ................................................ 1956.4.3. Determinación del calor de reacción de una sustancia ........................................ 1976.4.4. Determinación del calor de disolución de una sustancia ..................................... 198

Resumen ....................................................................................................................................... 199Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 200Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 201Práctica n.º 11 ............................................................................................................................ 202Práctica n.º 12 ............................................................................................................................ 204

7. ENSAYOS ELÉCTRICOS ............................................................................................................. 207

Objetivos ...................................................................................................................................... 207Mapa conceptual ....................................................................................................................... 208Glosario ........................................................................................................................................ 2087.1. Conceptos generales.................................................................................................... 2097.2. Conductividad y métodos conductimétricos........................................................ 210

7.2.1. El conductímetro ................................................................................................... 2157.2.2. Medida de la conductividad de una disolución .................................................. 2167.2.3. Medida del punto final de una valoración de neutralización

por conductimetría ................................................................................................ 2167.2.4. Medida del punto final de una valoración por precipitación

y formación de complejos .................................................................................... 218


ÍNDICE

9

7.3. Potencial y métodos potenciométricos ................................................................. 2197.3.1. Celdas galvánicas ................................................................................................... 2207.3.2. Tipos de electrodos............................................................................................... 2217.3.3. Medida del punto final de una valoración de neutralización

por potenciometría................................................................................................ 223Resumen ....................................................................................................................................... 225Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 225Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 226Práctica n.º 13 ............................................................................................................................ 228Práctica n.º 14 ............................................................................................................................ 230

8. ENSAYOS ÓPTICOS................................................................................................................... 233

Objetivos ...................................................................................................................................... 233Mapa conceptual ....................................................................................................................... 234Glosario ........................................................................................................................................ 2348.1. Conceptos generales.................................................................................................... 2358.2. La naturaleza de la luz................................................................................................. 2368.3. Polarimetría ..................................................................................................................... 237

8.3.1. Rotación específica. Poder rotatorio ..................................................................... 2398.3.2. El polarímetro......................................................................................................... 2408.3.3. Determinación de la rotación óptica con polarímetro.......................................... 242

8.4. Refractometría ................................................................................................................ 2448.4.1. El refractómetro ..................................................................................................... 2498.4.2. Determinación del índice de refracción con el refractómetro Abbe................... 2518.4.3. Determinación de la concentración de una disolución

mediante refractometría......................................................................................... 252Resumen ....................................................................................................................................... 254Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 255Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 256Práctica n.º 15 ............................................................................................................................ 257Práctica n.º 16 ............................................................................................................................ 259

9. ENSAYOS ORGANOLÉPTICOS ............................................................................................... 261

Objetivos ...................................................................................................................................... 262Mapa conceptual ....................................................................................................................... 262Glosario ........................................................................................................................................ 2639.1. Ensayos organolépticos. Introducción.................................................................... 2639.2. Aspecto. Textura............................................................................................................ 2639.3. Transparencia. Turbidez .............................................................................................. 2649.4. Color. Colorimetría. Ensayos colorimétricos .......................................................... 268

9.4.1. Determinación del color ........................................................................................ 2699.5. Brillo de superficies. Determinación del brillo mediante un brillómetro ..... 2719.6. Olor. Notas olfativas ..................................................................................................... 272

9.6.1. Determinación del olor por un analista.................................................................. 2759.6.2. Determinación del olor por cromatografía de gases............................................. 276

9.7. Sabor. Notas gustativas ................................................................................................ 2779.7.1. Determinación del umbral de percepción y gustos básicos ................................ 2779.7.2. Pruebas sensoriales de sabor................................................................................. 278

ÍNDICE

ÍNDICE

10

9.8. Tacto .................................................................................................................................. 2799.9. Funcionamiento de un panel sensorial................................................................... 279

Resumen ....................................................................................................................................... 281Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 282Práctica n.º 17 ............................................................................................................................ 283Anexo ............................................................................................................................................ 284

10. OTROS ENSAYOS .................................................................................................................... 289

Objetivos ...................................................................................................................................... 289Mapa conceptual ....................................................................................................................... 290Glosario ........................................................................................................................................ 29010.1. Dilatación de los sólidos ............................................................................................. 29110.2. Tamaño de partícula. Granulometría ....................................................................... 29410.3. Determinación del tamaño de la gota .................................................................... 30110.4. Humedad de un sólido. Proceso de secado ........................................................ 30210.5. Cristalización ................................................................................................................... 307

10.5.1. Etapas de la cristalización...................................................................................... 30810.5.2. Defectos cristalinos ................................................................................................ 30910.5.3. Velocidad de crecimiento de los cristales............................................................ 309

10.6. Medición de magnitudes fundamentales ............................................................... 31010.6.1. Determinación de la masa...................................................................................... 31010.6.2. Determinación del volumen................................................................................... 31110.6.3. Determinación de la presión.................................................................................. 312

10.7. Medición de otras magnitudes .................................................................................. 31310.7.1. Medición de caudales ........................................................................................... 313

Resumen ....................................................................................................................................... 315Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 315Ejercicios propuestos ............................................................................................................... 317Práctica n.º 18 ............................................................................................................................ 319Práctica n.º 19 ............................................................................................................................ 321

11. CARACTERIZACIÓN DE UNA MUESTRA ............................................................................ 325

Objetivos ...................................................................................................................................... 325Mapa conceptual ....................................................................................................................... 326Glosario ........................................................................................................................................ 32611.1. Recepción de la muestra............................................................................................. 32711.2. Muestreo .......................................................................................................................... 32811.3. Procedimiento de análisis ........................................................................................... 329

11.3.1. Documentación necesaria para el análisis ............................................................. 33011.4. Muestroteca .................................................................................................................... 331Resumen ....................................................................................................................................... 332Supuesto práctico ..................................................................................................................... 332Actividades de autoevaluación ............................................................................................. 333


ÍNDICE

1. Definir el concepto de materia y los estados en los que se presenta.2. Conocer las características y propiedades de los diferentes estados de la

materia.3. Descubrir los mecanismos de los procesos de cambio de estado.4. Aplicar los diagramas de cambio de fase a la definición del estado de la materia.5. Identificar los puntos clave del proceso de cambio de estado6. Familiarizarse con el comportamiento de las disoluciones en los cambios de

estado y las propiedades coligativas de las disoluciones y resolver problemasnuméricos de cálculos.

Objetivos

1La materia

y los cambios de estado

14

CAPÍTULO 1


Cristalografía. Ciencia que estudia las formas y propiedades fisicoquímicas de la ma-teria del estado cristalino.

Dipolo. Distribución de carga en un átomo o molécula neutra.

Electronegatividad. Capacidad de un átomo de atraer el par de electrones de unenlace.

Glosario

Mapa conceptualLA MATERIA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO

Fundamentales

Sólido

Líquido

Gas

Plasma

Condensado

Presión

Temperatura

En condiciones extremas

De sólido a líquido

Fusión

Solidificación

De líquido a gas

Ebullición

Condensación

Disoluciones

Propiedadescoligativas

Puntos sin cambio de estado

Temperatura dereblandecimiento

Temperatura detransición vítrea

De sólido a gas

Sublimación

Sublimacióninversa

Representación

Diagramas

Variables

ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIOS DE ESTADO

Bose-Einstein

Fermi

Otros

Medida

Termómetros

15

1.1. Estados de agregación de la materia

La materia, su estructura y sus propiedades han sido objeto de estudio de la ciencia desde siempre.Se puede considerar que la materia es todo lo que nos rodea, y la ciencia de los materiales es la quese encarga de caracterizarla. Otras disciplinas, como la ingeniería de los materiales, harán uso deestos estudios para poder aplicar propiedades al diseño de materiales que sean útiles al ser humano. La materia se puede presentar en tres estados de agregación fundamentales: sólido, líquido y ga-

seoso. Esta es la primera característica que hay que describir o analizar cuando se define una sus-tancia o material. El aspecto externo y la manera en la que se presenta es el primer descarteidentificativo que se realiza en un laboratorio de ensayo.En las condiciones de trabajo, las sustancias presentarán uno de estos tres estados, o puede

estar en equilibrio en una transición entre ellos, lo que se denomina cambio de estado o cambio defase. Existen unas condiciones determinadas en algunas sustancias en las que pueden estar en lostres estados a la vez, es decir, sólido, líquido y gas al mismo tiempo, por ejemplo, el agua. Existen otros estados de la materia. El plasma se produce a altas temperaturas y altas presiones;

está formado por un conjunto de partículas cargadas eléctricamente y de densidad muy elevada.La alta energía cinética de sus átomos produce choques violentos que separan a los núcleos delos electrones y forman un gas ionizado en el que los iones positivos y negativos se mueven li-bremente (por ejemplo el material del Sol y las estrellas).El estado condensado de Bose-Einstein solo es detectable en algunos materiales cerca del cero

absoluto. Es un material sumamente denso, frío e inmóvil. Este estado fue formulado por Bosey Einstein en 1924, pero no se comprobó hasta 1995, trabajo por el que Cornell, Ketterle yWieman fueron galardonados con el Nobel de Física en el 2001.Y, por último, encontramos el condensado de Fermi, partículas fermiónicas a temperaturas muy

bajas y superfluido en comportamiento.

LA MATERIA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO

CAPÍTULO 1

Estereoquímica. Área de la ciencia que se encarga del estudio de la estructura tridi-mensional de las moléculas y las propiedades fisicoquímicas.

Factor de empaquetamiento. En cristalografía, relación del volumen de los átomosrespecto al volumen de la celda unitaria.

Metaloide. Semimetal.

Polarizabilidad. Capacidad de distorsionar la distribución electrónica de un átomo omolécula neutro para generar un dipolo.

Polaridad de un enlace. Fenómeno que se produce en las moléculas heteronuclearescon enlaces formados por dos átomos en los que uno de los átomos tiene mayor elec-tronegatividad que el otro y atrae más fuertemente hacia sí al par electrónico compartidodel enlace. El resultado es un desplazamiento de la carga negativa hacia el átomo máselectronegativo, quedando el otro con un ligero exceso de carga positiva.

Presión de vapor. Presión de equilibrio de la fase gaseosa sobre un sólido o un líquido.

ENSAYOS FISICOQUÍMICOS16

La teoría cinética, el modelo cinético molecular y las fuerzas atractivas y repulsivas que seestablecen entre las moléculas describen el estado en el que se presenta la materia en unas con-diciones determinadas. Este modelo describe la materia como un conjunto de partículas, átomosy moléculas entre las cuales se establecen relaciones de interacción y que están en continuo mo-vimiento. Cada fase vendrá definida por un estado de agitación molecular, mucho mayor engases que en sólidos.Las fuerzas intermoleculares se establecen entre moléculas, átomos, iones o partes de estas

con sus vecinas. Estas fuerzas, que pueden ser de atracción o de repulsión, explican el compor-tamiento macroscópico de la materia.Estas fuerzas de interacción intermoleculares pueden clasificarse en tres tipos:

a) Fuerzas de interacción entre iones, dipolos fijos o dipolos inducidos momentáneamente;son fuerzas de inducción:

• Interacción ion-ion.• Interacción ion-dipolo.• Interacción ion-dipolo inducido.

b) Las fuerzas de Van der Waals:

• Dispersiones de London.• Dipolo-dipolo inducido.• Dipolo-dipolo.

c) Puentes de hidrógeno.

Las fuerzas de orientación son aquellas que aparecen entre moléculas con momento di-polar diferente, por lo que se orientan estos dipolos. En cambio, las fuerzas de inducción sedan entre iones o dipolos permanentes y producen en una molécula no polar una separaciónde cargas por el fenómeno de inducción electrostática. Las fuerzas de dispersión aparecen enmoléculas no polares.En las fuerzas de inducción, una carga puntual, como un ion, puede interaccionar con mo-

léculas neutras y crear una distorsión de la nube electrónica vecina y establecer un dipolo. Cuantomayor sea la carga neta del ion, mayor será la interacción.

CAPÍTULO 1

Según las características de las condiciones en las que se encuentrela materia se puede hablar de otros estados o comportamientos, yaligados a condiciones extremas. Para conocer más aspectos sobreestos tipos de materias se puede consultar la siguiente página web:

PARA SABER MÁS

17

Las nubes electrónicas de moléculas, cuando se polarizan creando pequeños dipolos, originanlas fuerzas de Van der Waals. Los dipolos instantáneos dan origen a las fuerzas de dispersión deLondon, con un ordenamiento de los dipolos para maximizar y favorecer la atracción. Estas sonlas fuerzas intermoleculares más débiles.Los puentes de hidrógeno son interacciones dipolo-dipolo de alta intensidad. Es requisito

que la molécula tenga un átomo de hidrógeno enlazado covalentemente a un átomo suficien-temente electronegativo.Cada estado posee características y comportamientos diferentes como consecuencia de las

fuerzas de interacción que se establecen entre las moléculas que lo forman, y estas interaccionesmoleculares son más intensas en los sólidos que en los líquidos y los gases. Los tres estados sonconvertibles entre sí.

1.2. Tipos de enlace

Toda sustancia molecular está constituida por asociación de dos o más átomos. Existen tres tiposde enlaces para la constitución de la materia:

• Enlace iónico: moléculas formadas por interacción electroestática de los iones que loforman.

• Enlace covalente: los átomos que forman la molécula están unidos por enlaces compues-tos por dos electrones compartidos, uno por cada átomo.

• Enlace metálico: los núcleos de los átomos se distribuyen en una maya compartiendo loselectrones de valencia en el material.

Según el tipo de enlace que se establece entre los átomos de las moléculas, el material tendráunas características definidas.

1.2.1. Enlace iónico

Este tipo de enlace se da entre átomos de muy diferente electronegatividad, es decir, átomosmetálicos con átomos no metálicos. Se produce una cesión neta de electrones del átomo pocoelectronegativo hacia el átomo electronegativo, generándose iones positivos y negativos que seatraen electroestáticamente. No es puramente un enlace, es una unión producida por atracción


CAPÍTULO 1

En esta página web se pueden ver los diferentes tipos deenlaces y sus características:

PARA SABER MÁS

18

de cargas eléctricas de diferente signo. Son moléculas químicamente neutras, aunque estructu-ralmente hay una ordenación de cargas gracias a la cual se distribuyen las cargas positivas y ne-gativas en las redes tridimensionales sin que coincidan las cargas del mismo signo enfrentadas.

Los compuestos iónicos en estado sólido forman estructuras reticulares cristalinas. Las cargasrelativas de los iones y sus tamaños determinan la forma y su estructura.Las características y propiedades de los sólidos iónicos son las siguientes:

• Puntos de fusión y ebullición elevados: debido a que las fuerzas que mantienen unidos losátomos son culombianas, ya que están constituidos por unidades iónicas. Para fundir uncristal se debe aportar térmicamente, como mínimo, la energía reticular que los mantieneunidos. Por lo tanto, todos los compuestos cuyas moléculas están unidas por enlaces ió-nicos son sólidos a temperatura ambiente.

• Poca compresibilidad: debido a las fuerzas repulsivas intensas que se originan entre iones deigual signo si se intenta acercarlos.

• Solubilidad en disolventes polares: la molécula polar del disolvente se orienta según los ionesde la superficie del cristal, arrancándolos de la estructura. La solubilidad en mayor omenor medida dependerá del tipo de cristal y disolvente empleados, y de la energía li-berada en la orientación de los dipolos del disolvente y la energía reticular del cristal.Cuando la energía liberada supera a la energía reticular, el ion del cristal será arrancado.

• Dureza: dependiendo de la estructura cristalina que formen, suelen ser sólidos de alta dureza.• Fragilidad: debido a la ordenación tridimensional de iones positivos y negativos sin en-frentamiento directo, son sólidos frágiles, ya que en el momento en el que por un golpeseco se mueve una capa respecto a la anterior, pueden quedar enfrentados iones de lamisma carga y producirse la repulsión instantánea, rompiendo el material.

• Conductores eléctricos en disolución y en estado fundido: los compuestos iónicos disueltos endisolventes polares liberan los iones que los componen, favoreciendo la conductividadeléctrica en la disolución. En estado fundido también se produce esta liberación de iones.En cambio, en estado sólido no son buenos conductores.

CAPÍTULO 1


Na+ Na+

e–

Cl Cl–

+ - + - + -- + - + - ++ - + - + -

- + - + - ++ - + - + -

- + - + - + - + - + - +

- + - + - +

+ -F

+ - + -+ - + - + -

+ - + - + -- + - + - ++ - + - + -

Figura 1.1Enlace iónico

Figura 1.2Ruptura de un cristal

19

1.2.2. Enlace covalente

El enlace covalente se da entre átomos de elevada electronegatividad. Son átomos no metálicosque comparten dos electrones para cumplir la regla del octeto de Lewis (ocho electrones en laúltima capa). Cada átomo aporta un electrón de la capa de valencia al enlace. En algunos casos,el enlace no cumple la regla del octeto, y se dan excepciones como en el caso del BCl3 (6 e

− enla última capa) y el SF3 (12 e

− en la última capa).Las características de las sustancias formadas por moléculas unidas con enlace covalente son

las siguientes:

• Posibilidad de formar moléculas diatómicas: en este caso suelen ser sustancias gaseosas, comoO2, N2, Cl2…

• Puntos de fusión y ebullición bajos si las fuerzas de cohesión son débiles, como en el caso delas sustancias moleculares unidas por enlaces covalentes. El valor de sus puntos de fusión yebullición dependerá de las fuerzas intermoleculares que unen a las moléculas. A mayorintensidad de fuerza, mayores los puntos.

• Puntos de fusión y ebullición elevados si las fuerzas de Van der Waals mantienen ordenacionescristalinas formando cristales covalentes, como es el caso del diamante o el grafito, ambasestructuras de carbono. En el caso del diamante se establecen enlaces que confieren granestabilidad, con una energía reticular muy elevada. Los cristales covalentes son sólidos atemperatura ambiente (SiO2, BN, Si2C, etc.). Las sustancias moleculares pueden ser sólidas(compuestos orgánicos), líquidas (H2O) o gaseosas (CO2, NH3, HCl, etc.).

• Solubilidad variable dependiendo de su estructura.• Malos conductores térmicos y eléctricos.• Dureza: las sustancias moleculares suelen ser sustancias blandas en general, ya que al ra-yarlas se rompen las fuerzas intermoleculares; sin embargo, las estructuras cristalinas pue-den ser muy duras, por ejemplo, el diamante.

Según el tipo de átomos no metálicos que forman el enlace covalente, se puede distinguirentre enlaces covalentes polares (átomos diferentes, por ejemplo, H-Cl), covalente apolares o no po-lares (entre átomos iguales, por ejemplo Cl-Cl) y de coordinación o covalente dativo (los doselectrones son aportados por un solo átomo).Se considera que los enlaces entre átomos con una diferencia de electronegatividad menor

de 1,7 (en la escala de electronegatividad) son covalentes polares; si es inferior a 0,4 se consideraenlace covalente no polar. Por encima de una diferencia de 1,7 se consideran iónicos. Sin em-bargo, la clasificación no es estricta y se puede considerar que hay tipos de enlace que se en-cuentran entre varias definiciones, pudiéndose decir que tienen un porcentaje de enlace iónico.

1.2.3. Enlace metálico

Este tipo de enlace solo se da entre átomos metálicos y son sustancias sólidas, a excepción del mer-curio. Los átomos metálicos conforman estructuras muy compactas en las que ocupan posicionesdefinidas y estructuradas, próximas entre sí, compartiendo los electrones de la capa de valencia,que se desplazan libremente en toda la estructura. La nube electrónica se puede desplazar entreesta estructura debido a que los elementos metálicos tiene relativamente poca electronegatividad.


CAPÍTULO 1

20

Las principales propiedades de estos compuestos son las siguientes:

• Alta conductividad térmica, emiten electrones al recibir calor.• Alta conductividad eléctrica.• Brillo metálico.• Maleabilidad.• Ductibilidad.

1.3. Estado sólido

El estado sólido es el estado en el que las partículas están fuertemente unidas por fuerza atractivas,manteniendo las moléculas muy cerca unas de otras. Las partículas que forman parte del sólidoocupan posiciones fijas, altamente empaquetadas, oscilando o vibrando alrededor de esta posi-ción, pero sin perder la forma inicial sin aplicación de una fuerza externa. Estas partículas delsólido se disponen formando estructuras tridimensionales que pueden ser geométricamente or-denadas (cristales) o amorfas (sin estructura ordenada).

1.3.1. Propiedades y características del estado sólido

Estas fuerzas de atracción entre las diferentes partes del cuerpo sólido les proporcionan una seriede propiedades y características.Los sólidos se caracterizan por ser materiales de forma definida y volumen constante. Son

sustancias prácticamente incompresibles, pero dilatables en volumen cuando se calientan.Las propiedades que definen la naturaleza del sólido que se va a estudiar son, entre otras, las

siguientes:

• Aspecto, color, olor: primer ensayo identificativo de cualquier sustancia o material que se examine. • Forma: observación de la forma en la que se presenta, por ejemplo, forma compacta re-gular, irregular, particulada, etc.

• Densidad: masa de material por unidad de volumen.• Cohesión: resistencia de los átomos del material a separarse entre sí. • Dureza: oposición del material a ser rayado o penetrado, directamente relacionado conla cohesión del material.

CAPÍTULO 1


En las siguientes páginas web se pueden ampliar los conocimientossobre los tipos y características de los enlaces:

PARA SABER MÁS

• Plasticidad: capacidad del material para cambiar de forma de manera permanente e irre-versible. Se consideran propiedades plásticas la ductilidad y la maleabilidad.

• Maleabilidad: capacidad del material de ser estirado en láminas.• Ductilidad: capacidad del material para ser estirado en forma de hilos.• Resiliencia: capacidad del material de absorber energía plástica cuando es deformado ycederla cuando cesa.

• Rigidez: resistencia del material a la deformación elástica.• Elasticidad: capacidad de sufrir deformaciones reversibles bajo la acción de una fuerzaexterna.

• Estructura cristalina: estructura geométrica y ordenada de los átomos que constituyen elmaterial.

• Fragilidad: facilidad con la que un material se fractura sin deformación previa.• Friabilidad: capacidad de erosionarse superficialmente el sólido.• Tenacidad: capacidad del material de oponerse a la propagación de fisuras o grietas. Opo-sición a la rotura por aplicación de fuerzas externas.

• Fatiga: capacidad del material de aguantar esfuerzos repetitivos o cíclicos.• Solubilidad: capacidad de disolución de un sólido en un líquido.• Punto de fusión: temperatura a la cual se pasa del estado sólido al estado líquido.• Propiedades eléctricas: capacidad de conducir o no la electricidad en determinadas condi-ciones, clasificándolos en materiales conductores, aislantes, semiconductores, supercon-ductores, etc.

• Propiedades magnéticas: capacidad de atraer materiales férreos, es decir, capacidad de imantar.• Propiedades ópticas: capacidad de desviar o no un haz de luz.• Propiedades térmicas: capacidad de conducir o no el calor.• Granulometría: distribución por tamaños de las partículas que forman un sólido par-ticulado.

• Difusión: de las partículas de un sólido particulado. Comportamiento del flujo.

Distintas disciplinas de la física y de la química estudian la constitución y el comporta-miento de los materiales sólidos: cristalografía, ciencias de los materiales, metalurgia, mecánicacuántica, etc.

1.3.2. Cristalización. Sistemas y estructuras cristalinas

En algunos sólidos los átomos que lo constituyen están distribuidos en posiciones regulares queles proporcionan una estructura cristalina geométrica definida. Se caracterizan por el orden y laperiodicidad de las posiciones que ocupan sus átomos. La estructura interna está formada poruna unidad elemental o celdilla unidad que es la mínima unidad de átomos que mantiene lasmismas propiedades geométricas y que se repite en las tres dimensiones del cristal. Los paráme-tros que definen el cristal son sus tres dimensiones longitudinales (a, b y c) y el valor de los án-gulos que se forman entre ellas (α, β y γ ).

Las estructuras cristalinas se agrupan en 14 tipos de redes (denominadas redes de Bravais enhonor al cristalógrafo que estudió la estructura reticular de los minerales en el siglo XIX). Estasredes están formadas por cinco posibles redes planas: paralelogramo, rectángulo, cuadrado, he-xágono y rombo.

21LA MATERIA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO

CAPÍTULO 1

22

Las estructuras cristalinas pueden estar más o menos compactadas según la disposición in-terna de los átomos (factor de empaquetamiento). El número de coordinación determina la cantidadde átomos que se encuentran en contacto directo alrededor de un átomo y es una medida delo compacto y eficiente que es el empaquetamiento. A veces los cristales no se aprecian a simplevista y forman estructuras polimicrocristalinas aparentemente amorfas.Así pues, los cristales están constituidos por partículas que guardan entre sí distancias y

relaciones fijas. Estos parámetros pueden determinarse mediante la técnica de difracción derayos X. La medición se basa en la comparación de la incidencia y la salida difractada de unhaz de luz de longitud de onda perteneciente a los rayos X. Esta técnica proporciona una co-lección de datos formados por los índices de Miller que permiten identificar las direccionescristalográficas y con los que es posible reconstruir tridimensionalmente la arquitectura delinterior del cristal.

CAPÍTULO 1


Redes cúbicas (a = b = c, α= β= γ= 90°)

Redes ortorrómbicas o rómbicas(a ≠ b ≠ c, α= β= γ= 90°)

P I F C

Monoclínica(a ≠ b ≠ c, α= γ= 90° β≠ 120°)

P C

Nota: P es celda primitiva, I celda centrada en el interior, C celda centrada en dos caras, F celda centrada en todas las caras.

Triclínica(a ≠ b ≠ c, α≠ γ≠ β≠ 90°)

P

Trigonal o romboédrica(a = b = c, α= β≠ 90°)

P

Hexagonal(a = b ≠ c, α= β= 90° γ= 120°)

Redes tetragonales (a = b ≠ c, α= β= γ= 90°)

Figura 1.3Redes de Bravais

P P

P

F I I

23LA MATERIA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO

CAPÍTULO 1

Los sólidos cristalinos se caracterizan por presentar en las rupturas planos y caras bien defi-nidos. Presentan puntos de fusión definidos cambiando de fase de forma abrupta. Las sustanciascristalinas pueden ser tanto sustancias orgánicas como inorgánicas.Son ejemplos de sustancias cristalinas la sal común (NaCl), la sacarosa, los metales, las sales

en general o los cristales covalentes, como el diamante.También se pueden detectar imperfecciones en la constitución de las redes, como, por ejem-

plo, las vacancias (ausencia de un átomo), los intersticios (átomos de más que ocupan espacioslibres en la red) o dislocaciones (en planos cristalográficos incompletos).

En contraposición a los sólidos cristalinos, están los sólidos amorfos, que se caracterizan portener sus átomos internamente no ocupando vértices de poliedros, sino con una distribucióndesordenada. Su fractura es curva, es decir, al romperse no se obtienen formas regulares. Se ablan-dan en un amplio rango de temperatura y se funden o se descomponen.Los sólidos no cristalinos orgánicos son estudiados por la estereoquímica, que es la ciencia

que estudia la disposición espacial de los átomos de las moléculas orgánicas y cómo afecta a suspropiedades y reactividad.

1.3.3. Diagramas de fases de sólidos. Aleaciones

Un diagrama de equilibrio para sólidos es la representación gráfica de las fases y estado de la com-posición química de una mezcla sólida (normalmente en porcentaje del peso) en función de latemperatura. Se indica qué fases predominan en cada una de las temperaturas en función de lacomposición. Los diagramas son construidos en condiciones de equilibrio y con ellos se puede

Figura 1.4Cristales

En el enlace del código se puede ampliar el conocimientosobre las estructuras cristalinas:

PARA SABER MÁS

24

CAPÍTULO 1


predecir el comportamiento de estos frente a la fusión, la cristalización y otros fenómenos (so-lidificación, microestructuras o diseño de nuevos materiales), en función de unas variables ele-gidas para su estudio, como la temperatura, la presión o la composición. Una aleación es una mezcla homogénea de dos a más elementos sólidos, en la que al menos

uno es un metal.Las aleaciones metálicas están formadas por un agregado cristalino de dos o más metales o

de metales con metaloides. Se obtienen por el proceso de fusión y homogenización de sus com-ponentes, dejando luego que se solidifique la solución líquida formando una estructura granularcristalina apreciable a simple vista o con el microscopio óptico.Para cada composición de una mezcla sólida deberá estudiarse el comportamiento de la sus-

tancia en estas condiciones. Un caso de estudio es la construcción del diagrama del acero al car-bono. El acero es una combinación de hierro y carbono. Si solo está compuesto por estoscomponentes, el producto se denomina acero al carbono. Si se les añade alguna otra sustancia,se denominará con los nombres de los diferentes tipos de acero existentes en el mercado.El acero es uno de los materiales estructurales más importantes en la industria actualmente. El

sistema de aleación binario hierro-carbono es el más importante dentro de las soluciones sólidas.Este diagrama es ampliamente estudiado en la fabricación de cascos de barcos, la construcción

de vigas, la industria automovilística, los equipos químicos, etc., ya que existe una gran varie-dad de microestructruras sólidas que se desarrollan cuando el material es tratado térmicamente.Dependiendo de la cantidad de carbono y la temperatura a la que se haga el tratamiento se pro-ducirán unos cambios u otros.Los diagramas de fases indican las posibles combinaciones en función de la composición

química de la aleación y de la temperatura. De esta manera se podrá seleccionar los trata-mientos térmicos y la composición de la aleación en función de la microestructura que sedesea obtener.

Figura 1.5Diagrama de fases de aceroal carbono

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

00 1 2 3 4 5 6

% C (p/p)

0,02 0,8 4,10 6,67

Temperatura (°C)Punto eutéctico

Eutectoide

Líquido

1148 °C

723 °C

L + δ

Austenita �

L + δγ+ δ

γ+ Fe3C

a + Fe3C Fe3C

γ+ a

a

L + Fe3C

ensayos fisicoquímicos - editorial síntesis · determinación del punto de ebullición por...

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