• Author / Uploaded
• Claudia Yazmin Romero Barrera

Citation preview

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS Objetivos Comprender la relación entre las interacciones intermoleculares entre moléculas y las propiedades físicas. Entender los cambios de estado a partir de los diagramas de fase.

Marco conceptual La materia puede existir en estado sólido, líquido o gaseoso dependiendo de la temperatura, la presión y las características particulares de esta. Las sustancias puras tienen propiedades que permiten diferenciarlas, las propiedades físicas son todas las que se pueden observar y medir sin cambiar la composición de la sustancias como color, olor densidad, calor específico, punto de ebullición, punto de fusión, entre otros; y las propiedades químicas son todas las que se pueden observar cuando la sustancia sufre un cambio de composición (reacciones químicas). Las sustancia puras (tiene composición definida o fija) pueden ser elementos o compuestos, el elemento (sodio- Na) es la sustancia fundamental o más sencilla y no puede descomponerse en sustancias más simples por métodos químicos ordinarios. Un compuesto (agua- H2O) es una sustancia que se puede descomponer utilizando medios químicos por que están constituidas por dos o más elementos combinados químicamente en proporciones constantes. La materia también puede ser una mezcla de dos o más sustancias (no hay enlace químico entre las sustancias que forman la mezcla), estas se caracterizan por tener una composición variable y pueden ser homogéneas o heterogéneas. Una mezcla homogénea tiene la misma composición en toda su extensión, es uniforme, y en la mezcla heterogénea la composición varia, la distribución de sus componentes no es uniforme. Los estados de la materia y las propiedades físicas de las sustancias dependen en gran medida del tipo de atracciones intermoleculares que se forman entre las moléculas del compuesto. El estado de agregación de la materia depende principalmente de tres factores que afectan la cohesión entre las partículas: a. Fuerza de atracción que tienden a unir las partículas b. Fuerzas de repulsión que tienden a separar las partículas. c. La energía cinética que mantiene dispersas las partículas.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS Mientras mayores sean las fuerzas de atracción mayor es la cohesión, cuanto mayor sea la energía cinética y las fuerzas de repulsión, menor será la cohesión. Una aproximación a la clasificación de los estados de la materia teniendo en cuenta las fuerzas de cohesión y la organización de las partículas se observa en la siguiente tabla. Distribución de las partículas

Grado de cohesión

Nombre de la fase

Al azar

Bajo (sin límite definido)

Gas

Al azar

Intermedio (límite definido sin rigidez)

Líquido

Al azar

Alto (rígida)

Sólido no cristalino

Ordenada

Bajo

No existe

Ordenada

Medio

No existe

Ordenada

Alto

Sólido cristalino

MATERIA

SUSTANCIAS PURAS

ELEMENTO

COMPUESTO

MEZCLAS

HOMEGENEA

HETEROGENEA

Las fuerzas de atracción que tienden a unir las partículas o fuerzas intermoleculares son más débiles que los enlaces iónicos o covalentes y muchas de las propiedades físicas son

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS reflejo de la intensidad de estas fuerzas. Las atracciones dipolo-dipolo y las fuerzas de dispersión de London se conocen como fuerzas de Van de Waals, y el otro tipo de interacción es ion-dipolo. -

-

-

-

-

Fuerza ion-dipolo: cuando algunos compuestos iónicos se solubilizan se rompe la red cristalina y los iones atraen los polos opuestos de las moléculas dipolares del solvente. Fuerza entre dipolos: Si dos dipolos se acercan lo suficiente se atraen mutuamente, el extremo positivo de una de las moléculas es atraído por el extremo negativo de otra molécula. En el caso de moléculas de masas y tamaño aproximadamente iguales, la intensidad de las atracciones dipolares aumenta cuando la polaridad aumenta. Puente de hidrógeno: es una interacción dipolo-dipolo más intensa y se forma entre el hidrógeno con átomos de flúor (F), oxígeno (O) o nitrógeno (N), que son átomos pequeños y muy electronegativos. Fuerza entre un dipolo-dipolo inducido: las moléculas polares pueden inducir polaridad a las moléculas no polares, esta interacción es la responsable de que algunos gases no polares como el oxígeno, dióxido de carbono y cloro entre otros se puedan disolver en el agua. Fuerza de dispersión: Fritz London (1930) indicó que el movimiento de los electrones de un átomo o una molécula puede crear un momento dipolar instantáneo o momentáneo- dipolo inducido. El dipolo temporal puede inducir un dipolo temporal a un átomo adyacente y ambos átomos son atraídos entre sí.

EJERCICIOS

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS 1. Identifique los siguientes cambios como físicos o químicos. a. Formación copos de nieve: _________________ b. Disolución de azúcar en agua: ________________ c. Putrefacción de la carne: ______________________ d. Fusión de un hilo de plata: _____________________ e. Oxidación de una puntilla de hierro: __________________ 2. Clasifique las siguientes propiedades como físicas o químicas. a. Densidad: _________________________ b. Conductividad eléctrica: ________________________ c. Hidrólisis del agua: __________________________ d. Temperatura de ebullición: _______________________ e. Descomposición del NaCl en Na y Cl2 al aplicar corriente eléctrica: _______ 3. Clasifique las siguientes sustancias en compuestos, elementos o mezclas. a. Gasolina: _____________________________ b. Cobre: _______________________________ c. Naftalina: _______________________________ d. Azúcar de mesa. _______________________ e. Azufre. __________________________ f. Agua de mar: ______________________ 4. ¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares espera encontrar en los siguientes compuestos? a. Propilamina

b. Yoduro de potasio disuelto en agua- KI en H2O

c. Bromuro de hidrógeno- HBr

d. Benceno

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS

5. Teniendo en cuenta el siguiente diagrama de fases desarrolle el siguiente ejercicio:

Relacione la columna A con la columna B. Columna A

Columna B

El sector C indica que bajo esas condiciones de presión y temperatura la sustancia está en estado ________

A. sólido.

El sector A indica que bajo esas condiciones de presión y temperatura la sustancia está en estado ________

B. equilibrio líquido-gaseoso.

El sector B indica que bajo esas condiciones de presión y temperatura la sustancia está en estado ________

C. equilibrio sólido-líquido.

La línea 3-P indica que bajo esas D. punto crítico condiciones de presión y temperatura hay un _______

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS La línea P-1 indica que bajo esas E. punto triple. condiciones de presión y temperatura hay un ______ La línea P-2 indica que bajo esas F. líquido. condiciones de presión y temperatura hay un _______ El punto P significa que bajo esas G. equilibrio gas-sólido. condiciones de presión y temperatura hay un ________ El punto identificado con el número 2 se denomina ____________

H. gaseoso

6. Teniendo en cuenta el siguiente diagrama de fases de una sustancia X conteste las siguientes preguntas:

a. A condiciones de 1 atm de presión y -80°C, la sustancia está en estado: ____________ b. La temperatura de -78.2 °C indica el punto normal de ____________ c. Si la sustancia X se encuentra a 10 atm y 30°C su fase es ______________ d. A 67atm y 25 °C la sustancia X se encuentra en equilibrio _______________ e. Si la sustancia X está a 5.1 atm de presión y -56.6°C se encuentra en equilibrio ____________________________ 7. Para cada una de las siguientes parejas de compuestos, indique cual podrá general una interacción de puente de hidrógeno más fuerte.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS a. b. c. d. e.

Amoniaco (NH3) o fosfina (PH3) _____________ Etileno (C2H4) o hidrazina (N2H4) ______________ Fluoruro de hidrógeno (HF) o cloruro de hidrógeno (HCl) ____________ Sulfuro de hidrógeno (H2S) o agua (H2O) _____________ Cloroformo (CHCl3) o fluroamina (NH2F) ____________

8. El punto de ebullición normal del triclorofluorometano (CCl 3F) es de 24 °C y el punto de congelación es de -111°C. Desarrolle los siguientes puntos: a. Si la sustancia se encuentra en condiciones normales ( 1 atm y 0°C) está en estado _____________ b. Si la sustancia está a 1 atm de presión y -120°C está en estado ___________ c. Si la sustancia está a 1 atm de presión y 26°C está en estado _____________ 9. El punto de fusión normal del oxígeno (O2) es – 218.4°C y el punto de ebullición normal es – 183 °C. Desarrolle los siguientes puntos: a. Si la sustancia está a 1 atm de presión y -50°C está en estado _________ b. Si la sustancia está a 1 atm de presión y -250°C está en estado _________ c. Si la sustancia está a 1 atm de presión y -200°C está en estado _________ d. Si la sustancia está a 1 atm de presión y 80°C está en estado _________ 10. Escoja de cada pareja de sustancias cual tendrá una mayor presión de vapor a una temperatura determinada, teniendo en cuenta las interacciones intermoleculares. a. N2 y NO _____________ b. HCl y Cl2 _____________ c. NH3 y H2O ______________ d. C6H6 y CH3CH2OH ___________ e. C4H9OH y C3H7COOH __________

11. Escoja de cada pareja de sustancias cual tendrá mayor punto de ebullición a 1 atm de presión. Tenga en cuenta las interacciones intermoleculares. a. N2 y NO _____________ b. HCl y Cl2 _____________ c. NH3 y H2O ______________ d. C6H6 y CH3CH2OH ___________ e. C4H9OH y C3H7COOH __________

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS 12. Teniendo en cuenta el diagrama de fases del agua conteste las siguientes preguntas.

a. El punto A se denomina: _____________________________ b. El punto B se denomina: _____________________________ c. El punto C se denomina: _____________________________ d. El punto D se denomina: ______________________________ e. Si el agua está a una presión de 1.5 atm y 300K se encuentra en un estado _____________ f.

Si una muestra de agua está a 1 atm de presión y a -10°C, ¿qué variable cambiaría y como lo haría para sublimar? _________________________________________________

g. Si una muestra de agua está a 1 atm de presión y 500K ¿qué variable cambiaría y como lo haría para condensar? ________________________________________ h. Si una muestra de agua está a 2 atm y 350K ¿qué variable cambiaría y como lo haría para evaporar? ______________________________________________ i.

Si una muestra de agua está 2.2 atm y 480K ¿qué variable cambiaría y como lo haría para solidificar? ______________________________________________

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS 13. Se dan las temperaturas a las cuales las presiones de vapor de los siguientes líquidos son de 100 torr, prediga el orden de puntos de ebullición de menor a mayor para estos líquidos. Sustancia Temperatura (°C)

n-butano -44.2

1-butanol 70.1

Dietíl éter -11.5

14. Se dan las temperaturas a las cuales las presiones de vapor de los siguientes líquidos es de 0.5 atm. Prediga el orden de puntos de ebullición de mayor a menor para estas sustancias. Sustancia Temperatura (°C)

2-hepteno 77

Metilacetato 39

Fluorobenceno 64

15. Desarrolle los puntos teniendo en cuenta la siguiente información sobre la presión de vapor a diferentes temperaturas. Temperatura 20 50

Agua (mmHg) 17.5 92.5

Ác. Acético (mmHg) 11.7 56.6

Etanol (mmHg) 43.9 222.2

a. Ordene las sustancias de menor a mayor punto de ebullición. b. Ordene las sustancias de menor a mayor presión de vapor. 16. Ordene las siguientes sustancias en estado sólido de acuerdo con su temperatura de fusión de menor a mayor y explique. - Cloro (Cl2) - Cloruro de sodio (NaCl) - Cloruro de hidrógeno (HCl) - Pentacloruro de fósforo (PCl5) 17. Prediga cuál sustancia de cada pareja se licuará más fácilmente y explique. a. H2O y H2S b. CH3COOH y CH3OH c. CO2 y CS2 18. “La intensidad de la fuerza de dispersión depende de la facilidad con que la distribución de la carga de una molécula pueda distorsionarse para inducir un dipolo momentáneo, esta distorsión se conoce como polarizabilidad”. “Las fuerzas de dispersión tienden a aumentar cuando aumenta el peso molecular”.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS Teniendo en cuenta esta información desarrolle los siguientes ejercicios: a.

Ordene los siguientes compuestos de menor a mayor punto de ebullición. Br2

F2

Kr

He

b. Relacione la sustancia con su punto de ebullición. Sustancia

Punto ebullición (K)

Ne

_____

a. 238.6

Cl2

_____

b. 87.5

I2

_____

c. 27.3

Ar

_____

d. 4.6

He

_____

e. 457.6

19. El fluido supercrítico (Fsc) se forma cuando una sustancia se encuentra a una temperatura por encima de su temperatura crítica, y en ese estado no se puede distinguir si es un líquido o un gas y tiene las propiedades de ambos. La presión crítica es la que se necesita para licuar un gas o vapor a su temperatura crítica. Sustancia CO2 H2O Etileno (CH2CH2)

Peso molecular (g/mol) 44.04 18.02 28.05

Temperatura crítica (K) 304.1 647.3 282.4

Presión crítica (atm) 72.8 218.3 49.7

a. Cuál de las tres sustancias puede volverse más fácil en un fluido supercrítico? Explique brevemente. (estar en Fsc en condiciones ambientales suaves)

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS b. Cuál de las tres sustancias necesitaría condiciones más extremas para volverse un fluido supercrítico? Explique brevemente. 20. El fluido supercrítico (Fsc) se forma cuando una sustancia se encuentra a una temperatura por encima de su temperatura crítica, y en ese estado no se puede distinguir si es un líquido o un gas y tiene las propiedades de ambos. La presión crítica es la que se necesita para licuar un gas o vapor a su temperatura crítica. Sustancia Metanol Acetona Propano

Peso molecular (g/mol) 32.04 58.08 44.09

Temperatura crítica (K) 512.6 508.1 369.8

Presión crítica (atm) 79.8 46.4 41.9

a. Cuál de las tres sustancias puede volverse más fácil en un fluido supercrítico? Explique brevemente. (estar en Fsc en condiciones ambientales suaves) b. Cuál de las tres sustancias necesitaría condiciones más extremas para volverse un fluido supercrítico? Explique brevemente

21. Indique el tipo de interacción intermolecular que se representa en las siguientes imágenes a.

Enlace ionico

b.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS

Dipolo- Dipolo

c. Dipolo inducido

d.

Puentes de hidrogeno

e. a.

Dipolo Inducido

22. Teniendo en cuenta las fuerzas intermoleculares, de una breve explicación de los siguientes fenómenos. a. El metanol (CH3OH) tiene un punto de ebullición normal de 65°C y en el metanotiol (CH3SH) es de 6 °C.

Rta: las fuerzas intermoleculares que intervienen en el metanol son los puentes de hidrogeno, y en metanotiol está clasificado como un tiol el cual tiene una acidez débil y es más polarizable por fuerzas de London. b. El Xe es líquido a presión atmosférica y 120K mientras el Ar es gaseoso.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS

Rta: Las fuerzas de van der Waals entre moléculas de Xe-Xe son más intensas que las que existen entre Ar-Ar porque el peso molecular del gas argón es menor que el del xenón c. La acetona (CH3OCH3) tiene un punto de ebullición de 56°C y el 2metilpropano (C4H10) de -12 °C. Rta: la acetona tiene fuerzas intermoleculares entre dipolo-dipolo y el 2metilopropano actúa bajo fuerzas de dispersión de London. 23. Tenga en cuenta la siguiente información para contestar los siguientes puntos. Sustancia H2O Hg

Viscosidad (cPs) 0.9 1.526

Tensión superficial (mN/m) 72.80 485.5

a. El mercurio tiene mayor viscosidad que el agua. De una breve explicación de este fenómeno. Rta: la viscosidad depende del tamaño molecular y de las fuerzas intermoleculares que presenta. En el caso del agua presenta puentes de hidrogeno y el mercurio presenta enlaces metálicos; además la tensión superficial del mercurio es mayor que la del agua debido a estos enlaces metálicos. b. El agua tiene menor tensión superficial que el mercurio. De una breve explicación de este fenómeno. Rta: Este fenómeno se explica debido a sus enlaces ya antes mencionados, pues la tensión superficial aumenta en relación a la magnitud de sus fuerzas intermoleculares, y en el caso del agua los puentes de hidrogeno no son tan fuertes como el enlace metálico del mercurio. 24. Teniendo en cuenta la estructura de la molécula, indique cual es polar o apolar.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS Diclorometano: POLAR

Metano: APOLAR

Tetracloruro de carbono: APOLAR

Yodoformo: APOLAR

25. Para calcular la densidad del alcohol etílico, un estudiante toma 5.00 mL de muestra con una pipeta y los introduce en un vaso de precipitados vacío que pesa 15.246 g. Luego pesa el vaso con el alcohol y el resultado es 19.171g. ¿Cuál es la densidad del alcohol etílico? d= m/v d= (19.171-15.246)g/5 ml d= 3.925 g/5 ml d= 0.785 g/ml

26. Una taza es una medida de volumen muy utilizada en culinaria y equivale a 225 mL. ¿Cuál es la densidad de una miel, en g/mL, si tres cuartos de una taza de esta sustancia pesa 210 gramos

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS d= m/v d= 210 g/ (3/4*225) ml d= 210 g/168.75 ml d= 1.244 g/ml

27. Se coloca un trozo de metal que pesa 25.17 g en un matraz de 59.7 ml. Se necesita añadir 43.7g de metanol cuya densidad es 0.791 g/mL para rellenar el matraz. ¿cuál es la densidad del metal? V=m/d (volumen del metanol) V= 43.7g/0.791g/ ml V= 55.246 ml Vmatraz=vmetal+vmetanol Vmetal=vmatraz-vmetanol Vmetal= 59.7 ml-55.246 ml Vmetal= 4.454 ml Densidad metal (d=m metal/v metal) Densidad metal= 25.17 g/4.454ml Densidad metal= 5.65 g/ml

28. Un sólido que tiene una forma irregular y una masa de 11.3g, se introduce en una probeta y se rellena con agua (d= 1.00 g/mL) hasta alcanzar la marca de 35.0 mL. Cuando el sólido se unde hasta el fondo el nivel de agua alcanza Volumen total= volumen del agua +volumen solido el valor de 42.3 mL. ¿Cuál es la Volumen solido= volumen total-volumen agua densidad del sólido? Volumen solido = 42.3 ml-35 ml Volumen solido= 7.3 ml Densidad solido= masa solido/ volumen solido Densidad solido= 11.3 g/7.3 ml Densidad solido= 1.54 g/ml

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS

29. La densidad de la plata es de 10.5 g/cm 3, cuál es el volumen, en in3, de un lingote de 0.743 kg V= m/d v=0.743 Kg en g =743 g V= 743 g/ (10.5 g/cm^3) V= 70.76 cm^3 en in^3 1cm^3=0.0610237 in^3 V=4.3180 in^3

30. La densidad de una solución concentrada de ácido sulfúrico es de 1.84 g/ml, que volumen, en L, ocupa 100 g de esta solución

V= m/d V= 100 g/ (1.84 g/ml) V= 54.347 ml en L 1 ml= 0.001 L V=0.0543 L BIBLIOGRAFÍA.  

Brown, T.L., LeMay, H.E., Bursten, B.E. y Murphy, C.J. (2009). Química. La ciencia central. México: PEARSON Educación. Whitten, K.W., Davis, R.E., Peck, ;.L. y Stanley, G.G. (2008). Química. México: CENGAGE Learning.

Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería Departamento de Ciencias Básicas Química General TALLER No. 4 PROPIEDADES FÍSICAS 

Masterton, W.L. y Hurley, C.N. (2003). Química, principios y reacciones. España: THOMSON.