Estados de la Materia, Fuerzas Intermoleculares y Disoluciones Químicas

1. Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares determinan en gran medida las propiedades físicas de las sustancias en sus diferentes estados de agregación.

• Fuerzas dipolo-dipolo: Las moléculas con dipolos permanentes se atraen entre sí electrostáticamente; el extremo positivo de una molécula atrae al extremo negativo de otra.
• Dipolo-dipolo inducido (enlace por puente de hidrógeno): Se produce si un átomo de hidrógeno está unido covalentemente a un átomo electronegativo que atrae fuertemente al único par de electrones, permitiendo que el átomo de hidrógeno actúe como puente hacia otro átomo fuertemente electronegativo.
• Dipolo instantáneo - dipolo inducido (fuerzas de dispersión de London): Son el resultado de la formación de un dipolo no permanente y transitorio en un átomo o molécula, el cual induce un dipolo en el átomo contiguo, propagándose sucesivamente.

2. Propiedades de los Gases Ideales

Un gas es aquella sustancia que se encuentra totalmente en estado gaseoso a temperatura y presión ordinarias, mientras que un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que se evapora a partir de un material sólido o líquido bajo condiciones ordinarias de presión y temperatura.

Características generales de los gases:

• Se pueden comprimir con facilidad.
• Se expanden espontáneamente.
• Ocupan los recipientes de forma completa y uniforme, ejerciendo presión gaseosa contra las paredes (medida habitualmente en pascales, atmósferas, mm Hg o torr).
• Se pueden condensar enfriando o aumentando la presión.

3. Leyes de los Gases

• Ley de Boyle-Mariotte (Relación Presión-Volumen): A temperatura constante (T = cte), el volumen (V) de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a la presión (P).
• Ley de Charles - Gay-Lussac (Relación Temperatura-Volumen): A presión constante (P = cte), el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (T).
• Ley de Avogadro (Relación Cantidad-Volumen): A presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles (n) presentes.
• Ley de Dalton para mezclas gaseosas: La presión que ejerce un gas en una mezcla se denomina presión parcial. La presión total de la mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que la componen.
• Ley de Graham sobre la difusión y efusión de gases: La velocidad de difusión (o efusión) de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas o de su masa molar.

Condiciones críticas de licuefacción:

Un gas se puede licuar mediante el descenso de la temperatura o por aumento de presión. La temperatura crítica marca el límite superior en el que una fase gaseosa puede ser licuada mediante aumento de presión. Por su parte, la mínima presión necesaria para licuar un gas a su temperatura crítica se conoce como presión crítica.

4. Propiedades del Estado Líquido

Los líquidos fluyen con rapidez, poseen notables fuerzas intermoleculares, difunden más lentamente que los gases, son mucho menos compresibles, poseen volumen propio definido y presentan tensión superficial.

• Viscosidad: Resistencia interna al desplazamiento relativo entre capas del propio líquido provocada por las fuerzas de atracción molecular. Puede expresarse como viscosidad dinámica o cinemática.
• Tensión superficial: Resistencia que opone la superficie de un líquido ante cualquier fuerza que intente expandir su área. Representa la cantidad de energía necesaria para incrementar la superficie de un líquido por unidad de área, y guarda una relación directamente proporcional con la intensidad de las fuerzas intermoleculares.
• Presión de vapor: Presión en equilibrio ejercida por el vapor sobre su líquido en un recipiente cerrado a temperatura constante. A mayor temperatura, se genera un incremento en la presión de vapor. Cuando la presión de vapor iguala a la presión atmosférica circundante, el líquido entra en ebullición.
• Punto de ebullición: Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido iguala la presión atmosférica externa. El punto de ebullición normal es aquel medido a 1 atmósfera de presión.
• Punto de congelación: Temperatura a la que coexisten en equilibrio la fase sólida y la fase líquida de una sustancia. El punto de congelación normal se determina a 1 atmósfera de presión.

5. Propiedades de los Sólidos

Los sólidos poseen forma y volumen definidos, y son rígidos e incompresibles. Se clasifican estructuralmente en:

• Sólidos amorfos: No presentan un ordenamiento espacial regular a largo alcance; sus átomos o moléculas están distribuidos de forma desordenada. Son materiales isótropos y carecen de un punto de fusión bien definido.
• Sólidos cristalinos: Poseen un ordenamiento atómico interno periódico y tridimensional, donde átomos, moléculas o iones ocupan posiciones geométricas específicas. Son anisótropos, tienen un punto de fusión neto y definido, y su unidad estructural mínima representativa es la celda unitaria. Se subclasifican en cristales iónicos, covalentes, moleculares y metálicos.

6. Clasificación de las Mezclas de Sustancias

Una mezcla es la combinación física de dos o más sustancias en la que cada una conserva sus propiedades químicas características:

• Homogéneas: Poseen composición y propiedades uniformes en toda su extensión (disoluciones).
• Heterogéneas: No poseen una composición uniforme en toda la muestra.
• Coloides: Sistemas intermedios consistentes en una dispersión de partículas diminutas de una sustancia en el seno de un medio dispersor constituido por otra fase.

7. Tipos de Disoluciones

• Gas - Gas: Cualquier combinación de gases, dado que todos los gases son completamente miscibles entre sí.
• Gas - Líquido: La solubilidad de un gas en un líquido varía en función de la temperatura, la presión y la naturaleza del soluto y solvente. Según la Ley de Henry, la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas sobre la disolución.
• Gas - Sólido: Un ejemplo característico es la oclusión o absorción de hidrógeno gas en paladio metálico.
• Líquido - Líquido: Su miscibilidad mutua depende de la afinidad y similitud de las fuerzas intermoleculares. La distribución de un soluto entre dos líquidos inmiscibles se rige por la Ley de distribución o de reparto: c1 / c2 = s1 / s2 = Kd.
• Sólido - Líquido: Al disolverse un sólido cristalino en un líquido, la red cristalina se desintegra paulatinamente al desprenderse átomos, moléculas o iones desde su superficie. La agitación mecánica y el grado de división del soluto incrementan la velocidad de disolución, mientras que un aumento térmico usualmente incrementa tanto la velocidad como la solubilidad neta.
• Sólido - Sólido: Como las aleaciones, constituidas por disoluciones sólidas homogéneas de metales entre sí.