Estados de la materia

Origen de la presión del gas

Las moléculas de gas se mueven rápidamente en todas las direcciones. Continúan chocando contra las paredes de su contenedor. Cada impacto ejerce una pequeña fuerza sobre la pared. La presión 压强 del gas es el resultado global de estas múltiples colisiones sobre las paredes.

Gases ideales

Un gas ideal 理想气体 es un modelo simple. Asumimos dos cosas:

• las propias partículas ocupan volumen cero.
• no hay fuerzas intermoleculares 分子间作用力 de atracción entre las partículas.

Un gas real 实际气体 sigue este modelo de cerca a baja presión y alta temperatura. Se comporta menos como un gas ideal a alta presión y baja temperatura, cuando las partículas están apretujadas juntas y las fuerzas entre ellas empiezan a ser significativas.

La ecuación del gas ideal

La ecuación del gas ideal 理想气体方程 relaciona la presión, el volumen, la cantidad y la temperatura:

donde $p$ es la presión en Pa, $V$ es el volumen en $\text{m}^3$, $n$ es la cantidad en moles, $T$ es la temperatura en kelvin 开尔文 (K), y $R$ es la constante de los gases 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

Siempre cambia las unidades primero: °C a K (suma 273), y $\text{cm}^3$ o $\text{dm}^3$ a $\text{m}^3$.

Ejemplo resuelto. Encuentra el volumen de $0.50\ \text{mol}$ de un gas ideal a $27\ ^{\circ}\text{C}$ y $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convierte primero: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Entonces

También puedes usar la ecuación para encontrar una masa molar 摩尔质量. Dado que $n = m/M$:

Esto te permite calcular $M_r$ a partir de la masa (o la densidad) de un gas.

Ejemplo resuelto. Un matraz contiene $0.96\ \text{g}$ de un gas en $600\ \text{cm}^3$ a $100\ \text{kPa}$ y $27\ ^{\circ}\text{C}$. Encuentra la masa molar del gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convierte: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Entonces

Cómo se comporta una sustancia depende de cómo están unidos sus partículas. Hay cuatro estructuras principales de un sólido cristalino 晶体.

Iónico gigante

Una estructura iónica gigante 离子晶体 es una enorme red regular de iones 离子 positivos y negativos, unidos por una fuerte atracción en todas las direcciones. Ejemplos son el cloruro de sodio y el óxido de magnesio.

Molecular simple

Una estructura molecular simple 分子晶体 está formada por pequeñas moléculas 分子. Los enlaces dentro de cada molécula son fuertes, pero las fuerzas intermoleculares entre las moléculas son débiles. Ejemplos son el yodo ($\text{I}_2$), las fullerenas 富勒eno ($\text{C}_{60}$) y el hielo.

Molecular gigante

Una estructura molecular gigante 原子晶体 (también llamada covalente gigante) es una inmensa red de átomos unidos por fuertes enlaces covalentes 共价键. Ejemplos son el óxido de silicio(IV) 二氧化硅, el grafito 石墨 y el diamante 金刚石.

Metálico gigante

Una estructura metálica gigante 金属晶体 es una red de iones metálicos positivos en un "mar" de electrones deslocalizados 离域电子. Un ejemplo es el cobre.

Propiedades físicas

La estructura determina las propiedades físicas:

• El punto de fusión 熔点 y el punto de ebullición 沸点 son altos cuando deben romperse fuerzas fuertes (iónicas, covalentes o metálicas), y bajos cuando solo se rompen fuerzas intermoleculares débiles.
• La conductividad eléctrica 导电性 requiere partículas cargadas que puedan moverse — iones que estén libres (cuando están fundidos o disueltos) o electrones deslocalizados. El grafito conduce porque algunos de sus electrones están deslocalizados.
• La solubilidad 溶解度 en agua suele ser alta para sólidos iónicos y baja para sólidos moleculares y covalentes gigantes.

También puedes hacer lo inverso: a partir del punto de fusión, la conductividad y la solubilidad de una sustancia desconocida, deducir el tipo de estructura y enlace que posee.

• Usa unidades SI en $pV = nRT$: presión en Pa, volumen en $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperatura en K ($^\circ\text{C} + 273$).
• Establece las suposiciones del gas ideal (volumen molecular despreciable, sin fuerzas intermoleculares) y cuándo los gases reales se desvían (alta presión, baja temperatura).
• Vincula cada propiedad a la estructura: iónico gigante (alto p.f., conduce fundido), covalente gigante (p.f. muy alto), molecular simple (p.f. bajo), metálico gigante (conduce, maleable).
• El grafito conduce porque cada carbono tiene un electrón deslocalizado; el diamante no — una comparación favorita.