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Las fuerzas intermoleculares, los líquidos y los sólidos.

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Isabella Restrepo

on 22 November 2015

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Transcript of Las fuerzas intermoleculares, los líquidos y los sólidos.

Teoría cinématica molecular
La diferencia entre líquidos, sólidos y gases son principalmente la distancia entre las moléculas.
Fuerzas intermoleculares
Estas fuerzas atractivas y repulsivas que se producen entre las moléculas se genera como consecuencia de la presencia o ausencia de electrones.


Líquidos
Líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incompresible lo que significa que suvolumen es, bastante aproximado, en un rango grande de presión. Es el único estado con un volumen definido, pero no con forma fija. Un líquido está formado por pequeñas partículas vibrantes de la materia, como los átomos y las moléculas, unidas por enlaces intermoleculares. El agua es, el líquido más común en la Tierra y el más abundante. Como un gas, un líquido es capaz de fluir y tomar la forma de un recipiente. A diferencia de un gas, un líquido no se dispersa para llenar cada espacio de un contenedor, y mantiene una densidad bastante constante. Una característica distintiva del estado líquido es la tensión superficial, dando lugar a fenómenos humectantes.
Las fuerzas intermoleculares, los líquidos y los sólidos.
Según el modelo de materia, todo lo que vemos está formado por unas partículas muy pequeñas, que son invisibles denominadas moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerza atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras y entre ellas hay espacio vacío.
líquidos
en los líquidos las moleculas estan juntas es decir, que hay muy poco espacio vacio, por esto son más dificilesde comprimir y son más densos en condiciones normales que los gases.
las moleculas de los líquidos estan en constante movimiento desordenado que chocan entre ellas.
Como las moleculas no escapan de la fuerza de atracción que las mantiene unidas, los líquidos, tienen un volumen definido, sin embargo como las moleculas se puede mover, un liquido puede fluir, derramarse y obtener la forma del recipiente donde esta contenido.
las moleculas de los sólidos estan muy unidas y se mueven oscilando alrededor de unas posiciones fijas: las fuerzas de cohesión son muy grandes, en un sólido hay menos espacio vacio que un liquido, por lo tanto son casi incompresibles y tiene un volumen definido.
Los sólidos
¿pero que permite que las móleculas permanezcan unidas?
Fuerzas de cohesión
Son las fuerzas que atraen y mantienen unidas las moléculas. Es la acción o la propiedad de las moléculas, y son fuerzas de carácter atractivo. Esta es una propiedad intrínseca de una sustancia que es causada por la forma y la estructura de sus moléculas que hace que la distribución de los electrones en órbita irregular cuando las moléculas se acercan la una a la otra,creando atracción eléctrica que pueden mantener una estructura macroscópica tal como una gota de agua. En otras palabras, la cohesión permite a la tensión superficial, la creación de un estado condensado.
son fuerzas de atracción que hay entre las móleculas, que ejercen influencia en los liquidos y solidos; y establece el comportamiento no ideal de los gases.
Cuando dos o más átomos se unen mediante un enlace químico forman una molécula, los electrones que conforman la nueva molécula recorren y se concentran en la zona del átomo con mayor electronegatividad, definimos la electronegatividad como la propiedad que tienen los átomos en atraer electrones. La concentración de electrones en una zona específica de la molécula crea una carga negativa, mientras que la ausencia de los electrones crea una carga positiva.
las fuerzas intramoleculares son las que permiten mantener los atomos de una molecula unidos, y son las que establece y estabilizan las moleculas individuales, lo cual los hacen responsables de las propiedades macroscopicas de la materia como el punto de ebullción y fusión.
¿que diferencia hay en fuerzas intermoleculares con las intramoleculares?
Tipos de fuerzas

intermoleculares
Fuezas de Van Der Waals
Las fuerzas de van der Waals son fuerzas de estabilización molecular, también conocidas como atracciones intermoleculares o de largo alcance y son las fuerzas entre moléculas que son mas débiles que las internas en una molécula ya que dependen exclusivamente del tamaño y forma de la molécula pudiendo ser de atracción o de repulsión. Son tan débiles que no se las puede considerar un enlace, como el enlace covalente o iónico, solo se las considera una atracción.




Fuerzas Dipolo - dipolo
son fuerzas de atracción entre móleculas polares, su origen es electrostatico, a mayor polaridad mayor será la fuerza.

La interacción dipolo-dipolo consiste en la atracción electrostática entre el extremo positivo de una molécula polar y el negativo de otra. El enlace de hidrógeno es un tipo especial de interacción dipolo-dipolo.
Fuerzas ión - dipolo
La interacción ión-dipolo es una fuerza intermolecular que se da cuando los iones de una sustancia interactúan con los dipolos de una molécula covalente polar.
En un enlace polar, el átomo con mayor electronegatividad atrae los electrones hacia sí, generando un dipolo negativo en torno a sí mismo, mientras que se forma un dipolo positivo en el área del átomo con menor electronegatividad.

La ley de Coulomb
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.
Las fuerzas de dispersión de London son un tipo de fuerza intermolecular, denominadas así por el físico alemán Fritz London, quien las investigó en 1930. Surgen entre moléculas no polares, en las que pueden aparecer dipolos instantáneos. Son más intensas cuanto mayor es la molécula, ya que los dipolos se pueden producir con más facilidad.
La intensidad de la fuerza de dispersión depende de cierto número de factores. Sin embargo, dar un enfoque cualitativo y predictivo debe considerar que las fuerzas de dispersión se relacionan con el número de electrones que se encuentren en el átomo o en la molécula. Así, bajo dicha base, es el número de electrones el que determinará la facilidad con la que se puede polarizar la densidad del electrón y a mayor polarización, son más intensas las fuerzas de dispersión. A su vez, la intensidad de estas fuerzas intermoleculares determina el punto de fusión y el punto de ebullición de la sustancia: cuando más intensas son las fuerzas intermoleculares, más altos son los puntos de fusión y de ebullición.
Fuerzas de dipersión de London
Enlace de hidrogeno
La fuerza por puente de hidrógeno o enlace de hidrógeno es la fuerza atractiva entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Resulta de la formación de una fuerza dipolo-dipolocon un átomo de hidrógeno unido a un átomo de nitrógeno, oxígeno o flúor (de ahí el nombre de "enlace de hidrógeno", que no debe confundirse con un enlace covalente a átomos de hidrógeno.
El enlace de hidrógeno es una fuerza electrostática dipolo-dipolo fija muy fuerte cuando están muchas moléculas unidas, ya que da gran estabilidad, pero más débil que el enlace covalente o el enlace iónico. El enlace de hidrógeno está en algún lugar intermedio entre un enlace covalente y una fuerza de van der Waals. Este tipo de enlace ocurre tanto en moléculas inorgánicas tales como el agua, y en moléculas orgánicas como el ADN.


Tensión artificial
La tensión superficial es la fuerza con que son atraídas las moléculas de la superficie de un líquido para llevarlas al interior y así disminuir el área superficial.

Como se puede observar en la imagen del lado izquierdo, una molécula en la superficie de un líquido, es atraída hacia el interior del mismo, debido a las fuerzas de atracción intermoleculares que ejercen sólo las moleculas que la rodean por debajo de ella y las que se encuentran a su alrededor en el mismo plano, por debajo de la superficie.

A diferencia de una molécula que se encuentra en el cuerpo del líquido, la cual es atraída por las fuerzas intermoleculares que ejercen todas las moléculas que la rodean, en todos los sentidos.
Capilaridad
La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial. Las fuerzas entre las moléculas de un líquido se llaman fuerzas de cohesión y, aquellas entre las moléculas del líquido y las de la superficie de un sólido, se denominan fuerzas de adhesión, lo que les permite ascender por un tubo capilar (de diámetro muy pequeño).

Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza de cohesión es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua y, ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión al capilar (como el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.

Viscosidad
Se define como la resistencia al flujo. La viscosidad de un líquido depende de las fuerzas intermoleculares:
Cuanto mayores son las fuerzas intermoleculares de un líquido, sus moléculas tienen mayor dificultad de desplazarse entre sí, por lo tanto la sustancia es más viscosa.
Los líquidos que están formados por moléculas largas y flexibles que pueden doblarse y enredarse entre sí, son más viscosos.
Recuerda

La viscosidad aumenta a medida que aumentan las fuerzas intermoleculares.

Se sabe que las moléculas pueden escapar de la superficie de un líquido, hacia la fase gaseosa, por vaporización o evaporación y que hay sustancias que se evaporan más rápidamente que otras, esto depende de las fuerzas intermoleculares:
Si las moléculas del líquido poseen una mayor intensidad de fuerza intermolecular, entonces quedarán atrapadas en el líquido y tendrán menor facilidad para pasar a la fase gaseosa.
por el contrario a menor intensidad de fuerza intermolecular, entonces las moléculas podrán escapar más fácilmente al estado gaseoso.

estructura y propiedades del agua
La molécula de agua está formada por dos átomos de Hidrogeno unidos a un átomo de Oxigenp por medio de dos enlaces covalentes, el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno.
En el caso de las disoluciones iónicas los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.

La capacidad disolvente es la responsable de que sea el medio donde ocurren las reacciones del metabolismo.

También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los puentes de hidrógeno por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene la temperatura constante .

Los puentes de hidrógeno son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20º C y presión de 1 atmósfera.
es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

El estado cristalino de la materia es el de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja en sus propiedades antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras, homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados. No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada cristalinidad de un material.
Dentro de un cristal, de acuerdo a la forma en que se acomoden las esferas en capas determina el tipo de celda unitaria final. Existen tres formas en que las esferas pueden empaquetarse: cúbica simple, cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras.

En la forma más sencilla, cúbica simple, una capa se ubica encima de la otra, de manera tal las esferas de una capa cubren totalmente las esferas de la capa inferior. Cada esfera acomodada en una celda cúbica simple, está en contacto con 6 esferas.

El número de coordinación se define como el número de átomos (o iones) que rodena a un átomo (o ión) en una red cristalina. Su valor es una medida de que tan compactas están empacadas las esferas. Cuanto mayor es el número de coordinación, más juntas están las esferas.


La distribución cúbica centrada en el cuerpo, se distingue de un cubo simple en que la segunda capa de esferas se acomoda en los huecos de la primera capa y la tercera lo hace en los huecos de la segunda. Cada esfera en este tipo de ordenamiento tiene un número de coordinación de 8 (cada esfera está en contacto con otras 8 esferas).

En la distribución cúbica centrada en las caras, hay esferas en el centro de cada una de las seis caras, además de las ocho esferas de los vértices.

Como la celda unitaria de un sólido cristalino, está en contacto con otras celdas unitarias, la mayoría de los átomos se comparten entre las celdas. Por ejemplo, en la cúbica simple, cada átomo del vértice se comparte entre ochos celdas unitarias. Por ende, dentro de una celda cúbica, hay un equivalente a un esfera completa. En la cúbica centrada en el cuerpo, hay un equivalente a dos esferas completas (una en el centro y una por los vértices) y en la cúbica centrada en las caras, hay un equivalente a cuatro esferas completas (tres de los seis átomos centrados en las caras y una de las ocho esferas de los vértices).

Es la disposición de un número infinito de celdas de esferas de forma que la mismas ocupen la mayor fracción posible de un espacio infinito tridimensional.
En las celdas cúbica simple y cúbica centrada en el cuerpo hay más espacio vacío que en la celda cúbica centrada en las caras. El arreglo más eficiente de esferas de denomina empaquetamiento compacto, y puede darse de dos formas diferentes: estructura hexagonal compacta (hcp) y estructura cúbica compacta (que no es más que la cúbica centrada en las caras – ccp).

Para ambas estructuras cada esfera está en contacto con otras doce esferas; es decir, que tiene un número de coordinación de doce (cada esfera está en contacto con seis esferas de su misma capa, tres de la capa superior y tres de la inferior). Como se dijo, son las formas más eficientes de empacar esferas idénticas en una celda unitaria, por lo que no es posible aumentar el número de coordinación más allá de doce.

Muchos metales y gases nobles, que son monoatómicos, forman cristales con estructuras hcp y ccp; por ejemplo, los átomos de magnesio, titanio y zinc cristalizan con un estructura hcp, en tanto que el aluminio, níquel y plata cristalizan como ccp. Respecto a los gases nobles, cristalizan como ccp salvo el helio que lo hace con la estructura hcp. Que un metal o gas noble cristalice con la estructura hcp y otros la ccp, tiene que ver con las estabilidad del cristal y las fuerzas intermoleculares; cristalizarán de manera tal que el cristal sea lo más estable posible.
es una técnica experimental para el estudio y análisis de materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en estado cristalino.

Los rayos X son difractados por los electrones que rodean los átomos por ser su longitud de onda del mismo orden de magnitud que el radio atómico. El haz de rayos X emergente tras esta interacción contiene información sobre la posición y tipo de átomos encontrados en su camino. Los cristales, gracias a su estructura periódica, dispersan elásticamente los haces de rayos X en ciertas direcciones y los amplifican por interferencia constructiva, originando un patrón de difracción.n. 1 Existen varios tipos de detectores especiales para observar y medir la intensidad y posición de los rayos X difractados, y su análisis posterior por medios matemáticos permite obtener una representación a escala atómica de los átomos y moléculas del material estudiado.
Los cristales son sólidos cuyas partículas constituyentes (átomos, moléculas o iones) se ordenan conforme a un patrón que se repite en las tres direcciones del espacio. Se distinguen tres tipos de cristales según el tipo de enlace químico que se establece entre las partículas.
cristales iónicos
Los átomos de ciertos elementos consiguen completar su última capa electrónica mediante la pérdida o ganancia de electrones:

Los elementos con pocos electrones en su última capa (como los metales), pueden perderlos fácilmente. El resultado es un ión (átomo con carga eléctrica neta distinta de 0 )con cargas positivas de más: un catión.
Los elementos a los que le faltan pocos electrones para completar su última capa electrónica (como los no metales), tiene facilidad para atraer electrones hasta completarla. el resultado es un ión con exceso de cargas negativas: un anión.
Cuando los átomos de un metal y un no metal se encuentran, el primero cede electrones al segundo. Como resultado, el metal se convierte en catión y el no metal se convierte en anión, es decir, dos iones con cargas eléctricas opuestas que, en consecuencia, se atraen entre sí mediante fuerzas de atracción electrostática. Este tipo de enlace químico se conoce como enlace iónico.

Esta atracción no se limita a un solo ion, sino que cada uno se rodea del máximo número de iones de carga opuesta que pueden rodear a un ion en particular posible. El resultado es un cristal iónico.

Los cristales iónicos tienen las siguientes propiedades:

Sólidos a temperatura ambiente.
Puntos de fusión y ebullición elevados.
No conducen la corriente eléctrica en estado sólido, pero si lo hacen en disolución.

Cristales covalentes
La unión entre los átomos es mediante enlace covalente. Esto origina sólidos muy duros, de puntos de fusión y ebullición muy elevados y que no conducen la corriente eléctrica.
cristales métalicos
Los átomos constituyentes están unidos por enlace metálico:

Los elementos metálicos poseen 1, 2 ó 3 electrones en la capa electrónica externa de sus átomos, los cuales están débilmente unidos al núcleo por lo que se pueden perder con facilidad. Cuando un conjunto de átomos de estos elementos se acercan hasta estar lo más cerca posible, las capas electrónicas externas se solapan por completo, haciendo que los electrones ya no estén asociados a un átomo en concreto, sino que son compartidos por todos los átomos del conjunto.

Los cristales metálicos tienen las siguientes propiedades:

Son sólidos cristalinos, excepto el mercurio, que es líquido.
Suelen ser bastante duros, al estar unidos los átomos de modo muy compacto.
Son maleables (obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa) y dúctiles (pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos), en mayor o menor grado, ya que es posible mover una capa de átomos sobre otra.

cristales moleculares
Son sustancias cuyas moléculas son no polares, la característica fundamental de este tipo de cristal es que las moléculas están unidas por las denominadas fuerzas de Van der Waals; estas fuerzas son muy débiles y correspondes a fuerzas de dipolos eléctricos.
Su conductividad es nula; es decir no son conductores ni del calor y la electricidad y son bastante deformables.
El sólido amorfo es un estado sólido de la materia, en el que las partículas que conforman el sólido carecen de una estructura ordenada. Estos sólidos carecen de formas bien definidas. Esta clasificación contrasta con la de sólidos cristalinos, cuyos átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas.

Muchos sólidos amorfos son mezclas de moléculas que no se pueden apilar bien. Casi todos los demás se componen de moléculas grandes y complejas. Entre los sólidos amorfos más conocidos destaca el vidrio.
sólidos amorfos
Cambios de fase
Se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y comunes en la tierra son el sólido, el líquido y el gaseoso; no obstante, el estado de agregación más común en nuestro universo es el plasma, material del que están compuestas las estrellas (si descartamos la materia oscura).


A mayor fuerza intermolecular, mayor tensión superficial.
Presión de vapor
Recordemos:
Un enlace covalente entre dos átomos se produce cuando estos átomos se unen, para alcanzar el octeto estable, compartiendo electrones del último nivel.
Propiedades
Acción disolvente
Gran calor específico.
Elevado calor de vaporización.
La estructura cristalina

Empaquetamiento de esferas
Empaquetamiento compacto
La cristalografía de rayos X
Cristales
tipos de Cristales
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