TEMA 3 - Sólidos Iónicos Y Metálicos 19-20 Castdefv 3 PDF

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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS

QUÍMICA

Contenidos del Tema 3 1.

Estados de agregación de la materia.

2.

Sólidos metálicos.

3.

Sólidos iónicos.

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

2

1

Bibliografía •

•

R. Chang. FUNDAMENTOS DE QUÍMICA, McGraw-Hill/Interamericana, México 2011 – –

Capítulo 1. “El estudio del cambio”. (Apartados 1.3, 1.4). Capítulo 7. “Enlace químico I: conceptos básicos”. (Apartados 7.2, 7.3).

–

Capítulo 9. “Fuerzas intermoleculares y líquidos y sólidos. (Apartados 9.2, 9.4).

M.D. Reboiras. QUÍMICA, LA CIENCIA BÁSICA, Thomson, Madrid 2006. –

Capítulo 1. “La materia, sus propiedades y medida”. (Apartados 1.1, 1.2).

– –

Capítulo 3. “Los compuestos químicos”. (Apartados 3.1, 3.2). Capítulo 10. “Enlace químico I: conceptos básicos”. (Apartado 10.3).

–

Capítulo 11. “Enlace químico II: aspectos adicionales”. (Apartado 11.11)

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia. 1. Cambios de estado. 2. Fuerzas entre partículas. 3. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia.

Elementos

Materia ¿Cómo pasamos de los átomos de los elementos a la materia que conocemos?...

… Mediante el enlace químico y las fuerzas intermoleculares

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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia.

La Materia se puede presentar en tres estados físicos (Sólido, Líquido, Gas) que difieren entre sí en propiedades observables a simple vista. El cambio de un estado a otro se puede conseguir por efecto de la temperatura o de la presión.

Estado Sólido

Estado Líquido

Estado Gaseoso

Cambios de estado causados por la temperatura a presión constante. TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia. Ejemplo.

Sólido (hielo)

Líquido (agua)

Gas (vapor) 7

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Características de los tres estados de la materia. GASES

LÍQUIDOS

Sin forma definida. Llenan totalmente el recipiente.

Sin forma definida. Se adaptan al recipiente.

SÓLIDOS Con forma definida.

Poco compresibles. Compresibles. Volumen definido con poca Volumen en función de la presión. dependencia de la presión.

Incompresibles. Volumen definido sin dependencia de la presión.

Densidad baja (O2 = 1,31 kg/m3 a 25ºC, 1atm)

Densidad alta. (H2O = 1000 kg/m3 a 25ºC, 1atm)

Densidad alta. (Al = 2700 kg/m3 a 25ºC, 1atm)

Fluidos.

Fluidos.

No son fluidos.

Difunden rápidamente.

Difunden en otros líquidos.

Difunden muy lentamente en otros sólidos.

Partículas desordenadas.

Partículas con orden próximo.

Partículas muy ordenadas.

Partículas lejanas. Mucho espacio vacío.

Partículas cercanas.

Partículas muy cercanas.

Partículas con movimiento rápido y aleatorio.

Partículas con movimiento aleatorio.

Partículas con movimiento vibratorio.

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. Los cambios de estado son cambios físicos pues un sustancia cambia su apariencia física pero no su composición.

Gas Vaporización

Condensación

(Evaporación, Ebullición)

Deposición

Líquido

Sublimación

Fusión

Condensación sólida Sublimación inversa

Congelación

Sólido 9

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. Variación de la temperatura de un sólido al calentarlo (a P constante) Gas Líquido y Gas Líquido

Zona E: el gas se calienta.

Tebullición Zona D: a una temperatura determinada (Tebullición), el líquido pasa a gas de manera progresiva. Zona C: el líquido se calienta.

Sólido y Líquido

Tfusión

Sólido

Zona B: a una temperatura determinada (Tfusión), el sólido pasa a líquido de manera progresiva. Zona A: el sólido se calienta.

Funcionamiento del “Baño María” En el caso particular del agua, la transición de líquido a gas se produce a 100ºC (a P = 1 atm). Mientras el agua se evapora, la temperatura no sube. TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. Evaporación ≠ Ebullición •

La evaporación es un fenómeno de superficie que tiene lugar a cualquier temperatura y está relacionada con la presión de vapor (pV).

•

La ebullición se da en toda la masa del líquido y sólo tiene lugar a la temperatura de ebullición (a una presión definida).

Presión de vapor •

La presión de vapor (pV) se define como la presión ejercida por un vapor en equilibrio dinámico con su líquido en un recipiente cerrado.

•

Los líquidos volátiles son aquellos cuyas partículas tienen poca interacción, presentan presiones de vapor elevadas porque una proporción más alta de las partículas pasan fácilmente a la fase gas. 11

1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. Presión de vapor •

La presión de vapor depende la sustancia (de las fuerzas entre las partículas que la forman) pero también varía con la temperatura.

760 mmHg

•

La temperatura de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala la presión externa.

•

Si la presión externa es 1 atm, la temperatura de ebullición se conoce como Punto de ebullición (Normal boiling point).

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1. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. + Para una sustancia

Temperatura

Gas

Gas

Líquido

Líquido

Sólido

Sólido

A una temperatura determinada

Fuerzas entre partículas

-

Agua:

-10ºC 20ºC 140ºC

+  sólido  líquido  gas

A 25ºC: oxígeno  agua  mercurio  aluminio  sal  diamante 

gas líquido líquido sólido sólido sólido 13

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas. Puntos de fusión y ebullición de algunas sustancias

Punto de fusión (oC)

Punto de ebullición (oC)

Oxígeno

-218

-183

Gas

Amoníaco

-178

-33

Gas

Etanol (alcohol etílico)

-114

78

Líquido

0

100

Líquido

Sustancia

Agua

Estado de agregación a Tambiente (25ºC)

Mercurio

-39

357

Líquido

Aluminio

658

2600

Sólido

Cloruro de sodio (sal común)

808

1465

Sólido

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas. Relación entre estado físico, intensidad de las fuerzas entre partículas y temperatura (velocidad de las partículas).

Estado Físico

Velocidad/ Temperatura

Intensidad de las fuerzas entre partículas

Sólido ideal

Nula

Muy alta

Sólido real

Baja

Altas

Líquido

Intermedia

Intermedias

Gas real

Alta

Bajas

Gas ideal

Muy alta

Nulas

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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.

Materia Sustancias Metálicas

Iones

Elementos

Enlace iónico

Enlace covalente

Sustancias Iónicas

Sustancias Covalentes Fuerzas Intermoleculares

Moléculas TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

Sustancias Moleculares 16

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1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas.

Materia Sustancias Metálicas

Iones

Elementos

Enlace iónico

Sustancias Iónicas

Iones poliatómicos

Sustancias Covalentes

Enlace covalente

Moléculas

Fuerzas Intermoleculares

Sustancias Moleculares 17

TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Fuerzas entre partículas. Tipos de sustancias

Partículas integrantes

Tipo de interacción entre partículas

Estado de agregación a Tambiente

Ejemplos

Iónicas

Iones

Enlace iónico

Sólido

NaCl, KBr, NaHCO3

Metálicas

Átomos de elementos metálicos/ Cationes y e- de valencia

Enlace metálico

Sólido (excepto Hg)

Cu, Fe, Au, Ag, alcalinos

Covalentes

Átomos (de elementos no metálicos)

Sólido

SiO2, C(d) (diamante), C(g) grafito, BN, SiC

Depende

Br2, Ar, CO2, agua, c. orgánicos

Enlace covalente

Moléculas Moleculares

Átomos (gases nobles)

Fuerzas de van der Waals Enlace de hidrógeno

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1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.

Sólido cristalino

Sólido amorfo

RED CRISTALINA

Orden próximo

Orden lejano, periodicidad

Intervalo de fusión

Temperatura de fusión definida

Isotropía

Anisotropía 19

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1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.

Redes cristalinas Cada tipo de red cristalina se puede definir con una celda unidad que se repite periódicamente.

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1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos y sólidos amorfos.

Sólido cristalino

Sólido amorfo

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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

1. Estados de agregación de la materia. Sólidos cristalinos.

Tipo de sólido

Sólidos iónicos (aniones o cationes en los nodos de la red)

Tipo de unión en la red cristalina

E. Iónico

Ejemplos

NaCl, K2SO4 NH4l

Propiedades generales más destacadas Duros. Puntos de fusión y ebullición altos con un amplio intervalo líquido. No conducen la corriente eléctrica pero sí conducen fundidos o en disolución. Solubles en líquidos polares. Dureza variable.

Sólidos metálicos (iones positivos en los nodos de la red)

E. Metálico

Ag, bronce, Fe

Dúctiles, maleables, tenaces. Puntos de fusión y ebullición altos. Conduce muy bien la electricidad. Solubles en otros metales líquidos o fundidos.

Sólidos covalentes (molécula gigante con átomos en los nodos de la red)

Sólidos moleculares (moléculas en los nodos de la red, átomos en el caso de los gases nobles)

E. Covalente

C(d), BN, SiC

Muy duros. Puntos de fusión y ebullición muy altos. No conducen la corriente eléctrica. Insolubles en disolventes polares y no polares.

F. van der Waals o E. de hidrógeno

Compuestos orgánicos no iónicos, H2O, Br2, Ar, CO2

Blandos, puntos de fusión y ebullición bajos. No conducen la corriente eléctrica. Los apolares son solubles en líquidos apolares. Los polares son solubles en líquidos polares.

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2. Sólidos metálicos. 1. Enlace metálico. 1.1. Modelos. 1.2. Fuerza de enlace. 2. Empaquetamientos. 3. Propiedades 3.1. Puntos de fusión y ebullición. 3.2. Conductividad eléctrica. 3.3. Densidad. 3.4. Propiedades mecánicas. Dureza. 3.5. Otras propiedades.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos. El ENLACE METÁLICO se da únicamente entre elementos metálicos (los más abundantes en la tabla periódica). En este tipo de enlace, se comparten electrones entre TODOS los átomos metálicos que componen la sustancia.

Existen dos modelos diferentes para ilustrar el enlace metálico: •El Modelo del mar de electrones (o nube de electrones). •El modelo derivado de la Teoría de bandas (o de orbitales moleculares). TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos. • Modelo del mar de electrones: • Todos los átomos están ionizados por pérdida de e- de valencia. • Los cationes metálicos permanecen fijos formando una red cristalina y los electrones están deslocalizados a su alrededor formando una nube. • La nube de electrones rodea los cationes y realiza un doble efecto: atrae los cationes por la diferencia de carga y apantalla la repulsión entre cationes. -

Como existe una red cristalina, este enlace da lugar a sustancias sólidas (excepto Hg). Como los electrones son móviles, los metales conducen la electricidad. El desplazamiento de los cationes no afecta gravemente al enlace pues los electrones son móviles y se pueden reorganizar. Por eso los metales son dúctiles y maleables.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos. • Modelo de la Teoría de bandas. • El modelo del mar de electrones no explica la diferencia de conductividad eléctrica de los elementos. Para una explicación adecuada es necesario otro modelo. • El modelo de la Teoría de bandas considera que los orbitales atómicos de elementos metálicos vecinos se combinan entre sí para dar lugar a nuevos niveles electrónicos. • Cuando se unen suficientes átomos, se forman niveles de energía (o bandas de energía). Para el caso del litio: - La mitad inferior está llena de electrones (banda de valencia). - La mitad superior no tiene electrones (banda de conducción). - La promoción de electrones de una banda a otra por una diferencia de potencial permite la conducción de la electricidad. - La promoción de electrones debida a la radiación electromagnética permite el efecto fotoeléctrico. TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos. Bandas de valencia y de conducción para metales, semiconductores y aislantes.

Bandas de conducción E E Bandas de valencia Metal

Semiconductor

Aislante

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos. Bandas de valencia y de conducción para carbono, silicio, germanio y estaño.

La diferencia de energías entre bandas, explica el diferente comportamiento de los elementos del mismo grupo.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Modelos.

A parte de los semiconductores naturales (intrínsecos), se pueden conseguir materiales con propiedades de semiconductor ampliadas modificando materiales existentes. Estos semiconductores artificiales son llamados extrínsecos. •Se pueden añadir a elementos del Grupo 14 otros átomos de elementos con un número superior de electrones (Grupo 15). Este tipo de semiconductores tiene un exceso de electrones y se denominan semiconductores tipo n. •Otra opción es añadir átomos de elementos con menos electrones (Grupo 13) que generan déficits de electrones o huecos. Son semiconductores tipo p. TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

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2. Sólidos metálicos. Enlace metálico. Fuerza de enlace. Como regla GENERAL, ¿de qué depende la fuerza del enlace metálico? a. Del número de electrones de valencia que intervienen en el enlace. - La fuerza del enlace aumenta a medida que aumenta el número de electrones compartidos. b. Del tamaño de los cationes. - La fuerza del enlace disminuye al aumentar el radio iónico porque crece la distancia media entre la nube de electrones y el centro del catión y, en consecuencia, disminuye la fuerza electrostática entre ellos. -

¿Qué metal tendrá un enlace más fuerte? • •

Mg ó Ca Al ó Na

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2. Sólidos metálicos. Empaquetamientos. Algunas propiedades de los metales dependen del empaquetamiento de los cationes en la red cristalina. Existen diferentes maneras de formar la red cristalina pero predominan los índices de coordinación elevados (nº de cationes adyacentes a un catión determinado). Cada red se puede definir con una celda unidad que se repite periódicamente. Las principales son: •Cúbica centrada en el cuerpo •Cúbica centrada en las caras •Hexagonal.

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2. Sólidos metálicos. Empaquetamientos.

Estructura

Cúbica Cúbica Hexagonal compacta centrada en el cuerpo centrada en las caras (hexagonal close packing) (body-centered cube) (face-centered cube)

Celda unidad

Siglas IC Espacio vacío

Ejemplos

bcc

fcc

hcp

8

12

12

32%

26%

26%

Fe, Ba, alcalinos (Li, Na, K,…), Grupo 5 (V, …), Grupo 6 (Cr, Mo, W).

Ca, Sr, Al, Pb, Rh, Ir, Grupo 10 (Ni, Pd, Pt), Grupo 11 (Cu, Ag, Au).

Be, Mg, Zn, Co, Cd, Tc, Re, Ru, Os, Grupo 3 (Sc, I, La, Ac), Grupo 4 (Ti, Zr,…).

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2. Sólidos metálicos. Empaquetamientos.

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TEMA 3. SÓLIDOS IÓNICOS Y METÁLICOS.

2. Sólidos metálicos. Empaquetamientos. Solamente los empaquetamientos hexagonal y cúbico centrado en las caras son compactos (74% de ocupación, 26% de espacio vacío). La diferencia entre ellos estriba en la ordenación relativa de las capas de cationes.

Esta ordenación genera una celda hcp

Esta ordenación genera una celda fcc

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2. Sólidos metálicos. Propiedades. Puntos de fusión y de ebullición. Puntos de fusión y de ebullición. •Son muy variados debido al gran número de metales diferentes. •Los puntos de fusión varían desde los -39 ºC (Hg) hasta los 3410 ºC (W). •Los puntos de ebullición van de 357 ºC (Hg) hasta 5660 ºC (W). • 1 180 Li 1347 98 Na 883 64 K 774 39 Rb 688 29 Cs 678

Para los elementos representativos, aumentan con el número de e- de valencia y a medida que disminuye el radio de los cationes. 2 1280 Be 2970 649 Mg 1090 838 Ca 1484 770 Sr...