Tema 4 y 6 Estados de Agregación de la materia PDF

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Temas Química En La Ingeniería...

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Tema 6 y Tema 4. Estados de agregación de la materia. Enlace metálico 1

CONTENIDOS •Gases y líquidos. • Sólidos: propiedades y clasificación. • Tipos de sólidos: reales y amorfos.

• Diagramas de fases. Aplicaciones.

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ESTADO GASEOSO •PARTÍCULAS SON INDEPENDIENTES UNAS DE OTRAS, •SEPARADAS POR ENORMES DISTANCIAS CON RELACIÓN A SU TAMAÑO.

•EN LAS MISMAS CONDICIONES DE PRESIÓN Y TEMPERATURA, EL VOLUMEN DE UN GAS NO DEPENDE MÁS QUE DEL NÚMERO DE PARTÍCULAS (LEY DE AVOGADRO) Y NO DEL TAMAÑO DE ÉSTAS, DE AHÍ, LA GRAN COMPRESIBILIDAD Y LOS VALORES EXTREMADAMENTE PEQUEÑOS DE LAS DENSIDADES DE LOS GASES

Las partículas de un gas se mueven con total libertad (expansibilidad). Tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene. 

Las partículas de un gas se encuentran en constante movimiento en línea recta y cambian de dirección cuando chocan entre ellas y con las paredes del recipiente. Colisiones son rápidas y elásticas (la energía total del gas permanece constante).



3

MEDIDAS EN GASES Un gas queda definido por cuatro variables:

 Cantidad de sustancia

 moles

 Volumen

 l, m3, …

 Presión

 atm, mm Hg o torr, Pa, bar

 Temperatura

 ºC, K

Unidades: 

1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 1,01325 bar = 101.325 Pa



K = ºC + 273



1l = 1dm3

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GASES IDEALES

Leyes de los gases

Ecuación general de los gases ideales Combinación de las tres leyes: Boyle:

V

=

k’ P

ΔT= 0, Δn= 0

Charles: V = k’’. T

ΔP= 0, Δn= 0

Avogadro: V = k’’’. n

ΔP= 0, ΔT= 0

V=

k’k’’k’’’ n T P

RnT

=

P

Ley de los gases ideales: R se calcula para:

PV = nRT

n = 1 mol P = 1 atm

R = 0.082 atm L/ mol K

T

V = 22,4 l T = 273 K

P.V

=

P´. V´ T´

R = 8.31 J/ mol K = 1.987 cal /mol K 5

MEZCLAS DE GASES

Ley de Dalton de las presiones parciales

• Presión parcial: –Cada componente de una mezcla de gases ejerce una presión igual a la que ejercería si estuviese él sólo en el recipiente. 6

LEY DE DALTON (LEY DE LAS PRESIONES PARCIALES) Ptot = PA + PB + PC + … Pi=xi.Pt

La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las Presiones parciales.

7

ESTADO LIQUIDO

Los líquidos son sustancias que se encuentran en un estado de la materia entre el estado sólido y el estado gaseoso. A diferencia de las sustancias que se encuentran en estado sólido, las moléculas de un líquido no se encuentran tan unidas pero tampoco están tan separadas como las moléculas de un gas.

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ESTADO LIQUIDO Densidad Propiedades de los líquidos

Viscosidad

Tensión superficial Presión de vapor

Fuerzas intermoleculares fuertes

Alta tensión superficial, Baja presión de vapor Alta viscosidad.

Variación de la densidad con la temperatura. 9

PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS: INTERMEDIAS GASES Y SÓLIDOS Isotropí : Se conocen como isótropos a las sustancias cuyas propiedades son idénticas en cualquier dirección.

Fluide : Carencia de forma propia. Aptitud para adoptar cualquier forma, la del recipiente que los contiene.

Viscosidad: Propiedad por la que el líquido ofrece resistencia a los esfuerzos tangenciales que tienden a deformarlo.

Compresibilidad:

Propiedad por la cual los líquidos disminuyen su volumen al estar sometidos a incrementos de presión positivos. En los líquidos esta disminución es muy pequeña, es decir, son poco compresibles.

Tensión Superficial

Presión de Vapor

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TENSIÓN SUPERFICIAL Y VISCOSIDAD

Tensión superficial es una medida de la fuerza elástica que existe en la superficie de un líquido

La tensión superficial es la cantidad de energía requerida para dilatar o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área.

Adherencia es la atracción intermolecular entre moléculas distintas. Cohesión es la atracción intermolecular entre moléculas similares. Viscosidad Es una medida de la resistencia de los líquidos a fluir. Disminuye al aumentar la Tª 11

TENSIÓN SUPERFICIAL

12

CAMBIOS DE FASE (ESTADO)

Fusión

MBIOS DE FASE H(ESTADO) H O (s ) O (l) 2

2

El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio

Vaporización H2O (l)

H2O (g)

El punto de ebullición de un líquido o el punto de condensación de un gas (vapor) es la temperatura a la cual las fases líquida y vapor coexisten en equilibrio

Sublimación H2 O ( s )

H 2 O ( g)

El punto de sublimación de un sólido o el punto de condensación de un gas (vapor) es la temperatura a la cual las fases sólida y vapor coexisten en equilibrio 13

CAMBIOS DE ESTADO

14

EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR: PRESIÓN DE VAPOR

La presión de vapor de equilibrio es la presión de vapor medida cuando hay un equilibrio dinámico entre la condensación y la evaporación.

Se establece una situación de equilibrio por la igualdad de la velocidad con que ocurren ambos procesos. El equilibrio es dinámico.

15

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA PARA DISTINTOS LÍQUIDOS.

Hvap es el Calor molar de vaporización y es la cantidad de energía (calor) requerida para vaporizar 1 mol de un líquido.

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CURVA DE CALENTAMIENTO

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El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión externa.

El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual un líquido hierve cuando la presión externa es 1 atm.

DIAGRAMA DE FASES DE UN SOLO COMPONENTE Un diagrama de fases resume las condiciones bajo las cuales una especie existe como sólido, líquido o gas.

>0

Tc la sustancia gaseosa no se puede licuar, por aumento de presión. [p.ej.: Tc (O2) = -118ºC. A Tamb es imposible licuarlo].

Aplicación: CO2 supercrítico se usa para extraer la cafeína del café.

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PROBLEMA HOJA 3 Aunque el diagrama no se encuentra dibujado a escala, de su observación se puede concluir que: a) El agua solo puede hervir a 100ºC. b) El hielo se contrae al fundirse. c) Por debajo de 4,58 mmHg de presión no puede existir agua líquida.

d) A presiones inferiores a 4,58 mmHg no puede existir hielo. Comentar cada una de estas afirmaciones, justificando si son verdaderas o falsas.

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ESTADO SÓLIDO

(I2)

ESTADO SÓLIDO

ESTADO SÓLIDO Efecto de la Estructuras cristalinas Ej: distinta composición- características semejantes

Ej: igual composición - características diferentes

ESTADO SÓLIDO SÓLIDOS CRISTALINOS Tamaño del cristal

Polvo sintético de Yeso.

Cristales de Yeso. Sierra de Naica (México)

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Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental paralelepipédica denominada celda unitaria.

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ESTADO SÓLIDO SÓLIDOS CRISTALINOS

7

SISTEMAS CRISTALINOS: TIPOS

28

SISTEMAS CRISTALINOS

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SISTEMAS CRISTALINOS Posiciones en la celda de los átomos o moléculas que forman el sólido cristalino (Puntos reticulares): 4 tipos de celdas.

Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos de red mencionados: 28 redes cristalinas posibles.

14 configuraciones básicas: Redes de Bravais

Difracción de rayos X de un cristal

Dispositivo para obtener un patrón de difracción de rayos X de un cristal

Ley de Bragg

Ɵ = ángulo entre los rayos X y el plano del cristal d = distancia entre planos adyacentes λ = longitud de onda de los rayos x BC+CD= 2d senƟ = n λ 2d senƟ = n λ

n=1,2, 3…

Distancia adicional = BC + CD = 2d senq = n l

(Ecuación Bragg)

TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

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ESTADO SÓLIDO

(I2)

TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

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Cúbica simple

Cúbica centrada en el cuerpo

1 átomo/celda unitaria

2 átomos/celda unitaria

4 átomos/celda unitaria

(8 x 1/8 = 1)

(8 x 1/8 + 1 = 2)

(8 x 1/8 + 6 x 1/2 = 4)

Cúbica centrada en las caras

Relación entre la longitud de la arista y el radio de los átomos de tres diferentes celdas unitarias Cúbica centrada Cúbica centrada Cúbica en el cuerpo en las caras

CRISTALES IÓNICOS Tipo de estructura MX Estructura NaCl

Estructura CsCl

Estructura ZnS (blenda)

R= rc/ra

IC

Geometría

Ejemplos

1 > R > 0.732

8

cúbica

CsCl

0.732 > R > 0.414

6

octaédrica

NaCl, MgO, FeO

0.414 > R > 0.221

4

tetraédrica

ZnS, SiC 41

CRISTALES IÓNICOS

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HUECOS EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS

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PROPIEDADES DE LOS CRISTALES IÓNICOS Características – La cohesión se debe a enlaces iónicos (5 k /mol) – Formados por especies cargadas – Aniones y cationes de distinto tamaño

100

Propiedades – Duros y quebradizos – Puntos de fusión altos – En estado líquido y fundido son buenos conductores de la electricidad – Presión de vapor insignificante a Tª ambiente

Ejemplos – NaC , Al O , BaCl , sales y silicatos

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CRISTALES COVALENTES Formados por átomos neutros del mismo o distintos elementos Fuertemente ligados (enlaces covalentes) Energías de cohesión muy altas ESTRUCTURAS 1-Estructuras 3D: Hibridación sp3 Conjunto de tetraedros de átomos de carbono que comparten vértices Ejemplo: Diamante y Si, Ge, Sn

DIAMANTE

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CRISTALES COVALENTES

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CRISTALES COVALENTES 2-Estructuras 2D: o laminares

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CRISTALES COVALENTES 2-Estructuras 2D: otro ejemplo de estructura laminar MoS2

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CRISTALES COVALENTES

49

CRISTALES COVALENTES

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APLICACIONES E UTILIZACIÓN NANOTUBOS DE CARBONO • baterías recargables •

piezas de automóviles

• artículos

deportivos • cascos de barco • filtros de agua

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GRAFENO

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CRISTALES MOLECULARES Sólido formado por un conjunto de atómos (gases nobles) o moléculas (diatómicas o poliatómicas) unidas entre sí mediante fuerzas intermoleculares. Cada molécula mantiene su propia identidad

Propiedades  Volátiles  Ptos de fusión y ebullición bajos (depende de tipo de fuerzas intermolecualres)  Blandos  Compresibles  Facilmente deformables  Buenos aislantes electricidad

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CRISTALES MOLECULARES: TIPOS Según el tipo de fuerza intermolecular

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CRISTALES COVALENTE MOLECULARES

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REDES METÁLICAS

6

(I2)

CRISTALES METÁLICOS: PROPIEDADES Gran variedad de propiedades

 Brillo metálico  Conductividad térmica  Conductividad eléctrica

 Ductibilidad, maleabilidad  Fenómenos de emisión (fotoeléctrico y termoiónico)

 Elevada densidad (elevado empaquetamiento)  Forman aleaciones 57

CRISTALES METÁLICOS: ESTRUCTURAS COMPACTAS

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SÓLIDOS METÁLICOS • CELDA HEXAGONAL COMPACTA (HC) (EMPAQUETAMIENTO COMPACTO ABA)

SÓLIDOS METÁLICOS • CELDA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS (FCC) (EMPAQUETAMIENTO COMPACTO ABC)

Polimorfismo o alotropía

REDES METÁLICAS Empaquetamientos compactos: tipos

Hexagonal compacto

Empaquetado ABA en el que la tercera capa ocupa exactamente la misma posición que la primera, constituyendo las estructuras más compactas o densas posibles. Es una estructura característica de muchos metales como Be, Mg, Zn, Cd…Co. IC=12

Cúbico compacto. Red cúbica centrada en las caras Empaquetado ABC en el que la tercera capa cubre62 los huecos de la primera que no han sido cubiertos por la segunda (Fe, Cr, Mo…Co) IC=12

ENLACE METÁLICO Electrones de valencia deslocalizados alrededor de los iones positivos que ocupan las posiciones reticulares

Condiciones: 1 - Bajo potencial de ionización

2 - Pocos e de valencia 3 - Orbitales de valencia vacantes

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ENLACE METÁLICO : TEORÍA DE DRUDE

64

ENLACE METÁLICO : TEORÍA DE DRUDE

65

ENLACE METÁLICO: SEGÚN LA TEORÍA DE OM

66

ENLACE METÁLICO TEORÍA DE LAS BANDAS Li2: (σ1s)2(σ*1s)2(σ2s)2

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ENLACE METÁLICO : SEGÚN LA TEORÍA DE OM (LI)

CONCLUSIÓN en los metales, hay bandas de valencia, que son bandas en las que se hallan los electrones de valencia y pueden estar llenas o semillenas, dependiendo de la configuración electrónica del metal, y bandas de conducción, que pueden hallarse vacías o parcialmente vacías y facilitan la conducción porque son energéticamente 68 accesibles. De hecho, los metales son conductores porque las bandas de valencia y de conducción se superponen, y esto hace que los electrones se muevan con libertad de una a otra.

SEPARACIÓN DE LAS BANDAS DE ENERGÍA

69

ENLACE METÁLICO

70

ENLACE METÁLICO : TEORÍA DE OM

71

2

CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES

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SEMICONDUCTORES

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SEMICONDUCTOR INTRÍNSECO (SIN IMPUREZAS) w wc

Ge

wv

Ge

Ge

Ge

0.7 eV

Reposo (T = 0º K)

Ge

ENLACE COVALENTE 76

CONCEPTOS DE HUECO Y ELECTRÓN w Electrón

Ge

wc

Ge

Ge +

wv

Hueco

Ge Ambiente (T = 20º C)

Ge

A T ambiente, algunos electrones escapan del enlace covalente y "pululan" por la estructura cristalina. Ha dejado un espacio en el átomo de donde se ha escapado (Hueco) 77

MOVIMIENTO DE LOS HUECOS Y ELECTRONES El electrón obviamente se moverá hacia la tensión positiva Ge

-

Ge

Ge

Ge

+

Ge

+ El hueco se ha movido ¡El hueco se mueve como una carga positiva! La movilidad de los huecos es menor que la de los electrónes (Se mueven mas despacio) 78

MOVIMIENTO DE LOS HUECOS Y ELECTRONES w wc wv

Electrón

Los electrones de mueven por niveles de energía de la banda de conducción

Hueco Los huecos de mueven por niveles de energía de la banda de valencia

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SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS Los componentes electrónicos surgen al unir trozos de semiconductor impurificados (dopados) con diversos elementos. SEMICONDUCTOR DOPADO = SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECO Los materiales empleados para dopar pertenecen al grupo III o al grupo V. Grupo III: In, Al, Ga, B

(3 electrones en la última capa)

Grupo V: As, Sb, Bi

(5 electrones en la última capa)

Los dopados se consiguen mediante técnicas de difusión o implantación iónica. Manteniendo el semiconductor en una atmósfera de la sustancia "dopante" con concentraciones, temperaturas y tiempos controlados.

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SEMICONDUCTORES TIPO N: DOPANTES GRUPO V (P.E. SB) El Sb tiene 5 electrones en la última capa. El Sb sustituye al Ge en la estructura cristalina.

Ge

Le queda un electrón ligeramente unido al átomo del dopante.

Ge

Sb

Ge

Con muy poca energía (0.01 eV 0.05 eV puede liberarse. A temperatura ambiente todos los átomos de Sb han perdido su electrón.

Ge

El átomo de Sb está fijo en la estructura cristalina y no se puede mover (no es un hueco)

81

SEMICONDUCTORES TIPO N: DOPANTES GRUPO V (P.E. SB) Cada átomo dopante aporta al cristal un electrón libre.

Cada átomo dopante aporta un ión positivo fijo (no se puede mover).

Ge Ge

Sb

+

Ge -

+ Ge

Al igual que en un semiconductor intrínseco habrá pares electrón hueco generados a la forma convencional. No obstante, el número de huecos disminuirá bastante, al tener un gran número de electrones libres "pululando" por el cristal.

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SEMICONDUCTORES TIPO N: DOPANTES GRUPO V (P.E. SB) Muchos electrones libres

+ + + +

Muy pocos Huecos

Tipo N

+

Iones positivos Fijos en el cristal No se pueden Mover

COMENTARIO: Darse cuenta que un trozo de Semiconductor N por si solo tiene poca utilidad. Simplemente es un conductor regular (una determinada resistencia) 83

SEMICONDUCTORES TIPO P: DOPANTES GRUPO III (P.E. IN) El In tiene 3 electrones en la última capa. El In sustituye al Ge en la estructura cristalina.

Ge

Le queda un enlace covalente "huerfano" de electrón.

Ge

In

Ge

Con muy poca energía (0.01 eV 0.05 eV puede "robar" un electrón a un enlace covalente vecino. A temperatura ambiente todos los átomos de In han "robado" un electrón.

Ge

El átomo de In está fijo en la estructura cristalina y no se puede mover (no es un electrón/carga libre) 84

SEMICONDUCTORES TIPO P: DOPANTES GRUPO III (P.E. IN) Cada átomo dopante aporta al cristal un hueco.

Cada átomo dopante aporta un ión negativo fijo (no se puede mover).

Ge +

Ge

In

Ge -

+ Ge

Al igual que en un semiconductor intrínseco habrá pares electrón hueco generados a la forma convencional. No obstante, el número de electrones disminuirá bastante, al tener un gran número de huecos el cristal.

85

SEMICONDUCTORES TIPO P: DOPANTES GRUPO III (P.E. IN) Muchos huecos

-

Muy pocos electrones

Tipo P

-

Iones negativos Fijos en el cristal No se pueden Mover

COMENTARIO: Darse cuenta que un trozo de Semiconductor P por si solo también tiene poca utilidad. Simplemente es un regular conductor (una determinada resistencia) 86

DEFECTOS EN SÓLIDOS: TIPOS 1. Defectos puntuales •Inherentes Defectos Schottky o vacantes Defectos Frenkel •Centros de color •Impurezas 2. Defectos extendidos •Defectos de apilamiento

•Dislocaciones 87

DEFECTOS PUNTUALES: SCHOTTKY

88

DEFECTOS PUNTUALES: SCHOTTKY

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DEFECTOS RETICULARES

DEFECTOS PUNTUALES: CENTROS DE COLOR
<...