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Propiedades de Sustancias y Mezclas

AP Química · Tema 3

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10:54

Propiedades de sustancias y mezclas

Hervir agua. Para hacer vapor debes llegar a cien grados Celsius. El metano tiene casi la misma masa, y hierve a menos ciento sesenta y dos.…

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3.1

Fuerzas Intermoleculares e Interparticulares

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.1.A: Explicar la relación entre las estructuras químicas de las moléculas y la fuerza relativa de sus fuerzas intermoleculares cuando: i. Las moléculas pertenecen a la misma especie química. ii. Las moléculas pertenecen a dos especies químicas diferentes.

  • 3.1.A.1 Las fuerzas de dispersión de London son el resultado de las interacciones coulombianas entre dipolos temporales y fluctuantes. Las fuerzas de dispersión de London suelen ser la fuerza neta intermolecular más fuerte entre moléculas grandes.
    • i. Las fuerzas de dispersión aumentan con el aumento del área de contacto entre las moléculas y con el aumento de la polarizabilidad de las moléculas.
    • ii. La polarizabilidad de una molécula aumenta con un mayor número de electrones en la molécula y con el tamaño de la nube electrónica. Se ve reforzada por la presencia de enlaces pi.
    • iii. El término "fuerzas de dispersión de London" no debe usarse como sinónimo del término "fuerzas de van der Waals".
  • 3.1.A.2 El momento dipolar de una molécula polar conduce a interacciones adicionales con otras especies químicas.
    • i. Las interacciones dipolo-inducido-dipolo están presentes entre una molécula polar y una no polar. Estas fuerzas siempre son atractivas. La intensidad de estas fuerzas aumenta con la magnitud del dipolo de la molécula polar y con la polarizabilidad de la molécula no polar.
    • ii. Las interacciones dipolo-dipolo están presentes entre moléculas polares. La intensidad de la interacción depende de las magnitudes de los dipolos y su orientación relativa. Las interacciones entre moléculas polares suelen ser mayores que las entre moléculas no polares de tamaño comparable, ya que estas interacciones actúan además de las fuerzas de dispersión de London.
    • iii. Las fuerzas de atracción ion-dipolo están presentes entre iones y moléculas polares. Estas tienden a ser más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo.
  • 3.1.A.3 La fuerza relativa y la dependencia de la orientación de las fuerzas dipolo-dipolo e ion-dipolo se pueden comprender cualitativamente considerando el signo de las cargas parciales responsables del momento dipolar molecular, y cómo estas cargas parciales interactúan con un ion o con un dipolo adyacente.
  • 3.1.A.4 El enlace de hidrógeno es un tipo fuerte de interacción intermolecular que existe cuando los átomos de hidrógeno unidos covalentemente a átomos altamente electronegativos (N, O y F) son atraídos hacia el extremo negativo de un dipolo formado por el átomo electronegativo (N, O y F) en otra molécula, o en una parte diferente de la misma molécula.
  • 3.1.A.5 En biomoléculas grandes, pueden ocurrir interacciones no covalentes entre diferentes moléculas o entre diferentes regiones de la misma biomolécula grande.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las fuerzas intermoleculares 分子间作用力 (IMFs) son atracciones entre moléculas – mucho más débiles que los enlaces, pero determinan los puntos de fusión y ebullición. De la más débil a la más fuerte:

Dispersión de London: un dipolo instantáneo induce un dipolo en un vecino
Dispersión de London: un dipolo instantáneo induce un dipolo en una molécula vecina
Enlace de hidrógeno: un H en N/O/F es atraído por un par solitario en otra molécula
Enlace de hidrógeno: un H unido a N/O/F es atraído por un par libre de otra molécula
  • Fuerzas de dispersión de London 伦敦色散力: presentes en todas las moléculas; surgen de la atracción coulombiana entre dipolos temporales y fluctuantes, y son más fuertes para nubes electrónicas más grandes y polarizables; a menudo constituyen la fuerza neta más fuerte entre moléculas grandes.
  • Dipolo–dipolo 偶极-偶极: entre moléculas polares. Su fuerza depende del tamaño de los dipolos y su orientación relativa; un extremo $\delta+$ alineándose con el extremo $\delta-$ de un vecino se atrae, por lo que actúan además de la dispersión y hacen que las moléculas polares sean más "pegajosas" que las no polares de tamaño similar.
  • Enlace de hidrógeno 氢键: una fuerza dipolar fuerte cuando el H está unido a N, O o F.
  • Ion–dipolo 离子-偶极: entre un ion y una molécula polar (el ion atrae al extremo cargado opuestamente del dipolo). Son las más fuertes de estas cuatro (incluso más fuertes que los enlaces de hidrógeno), y son exactamente lo que permite que el agua disuelva un sólido iónico: cada $\text{Na}^+$ está rodeado por los extremos de oxígeno $\delta-$ de las moléculas de agua.

Toda la escala se entiende cualitativamente observando el signo de las cargas parciales: una carga parcial mayor o mejor alineada, o una carga iónica completa, produce una atracción más fuerte. IMFs más fuertes implican puntos de ebullición más altos y menor presión de vapor. Por eso el agua ($18\ \text{g/mol}$, con enlace de hidrógeno) hierve a $100\,{}^{\circ}\text{C}$ mientras que el metano ($16\ \text{g/mol}$, solo dispersión) hierve a $-162\,{}^{\circ}\text{C}$.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
Intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 分子间作用力 fèn zǐ jiàn zuò yòng lì
London dispersion forces/ˈlʌndn dɪˈspɜːʃn ˈfɔːsɪz/ 伦敦色散力 lún dūn sè sàn lì
Dipole–dipole/ˈdaɪpəʊl ˈdaɪpəʊl/ 偶极-偶极 ǒu jí - ǒu jí
Ion–dipole/ˈaɪɒn ˈdaɪpəʊl/ 离子-偶极 lí zi - ǒu jí
Hydrogen bonding/ˈhaɪdrədʒn ˈbɒndɪŋ/ 氢键 qīng jiàn
malleable/ˈmæləbl/ 可锻的 kě duàn de
ductile/ˈdʌktaɪl/ 可延展的 kě yán zhǎn de
free valence electrons/friː ˈveɪləns ɪˈlektrɒnz/ 自由价电子 zì yóu jià diàn zi
crystalline/ˈkrɪstəlaɪn/ 晶体 jīng tǐ
amorphous/əˈmɔːfəs/ 非晶体 fēi jīng tǐ
Kinetic molecular theory/kɪˈnetɪk məˈlekjʊlə ˈθɪəri/ 分子运动论 fēn zǐ yùn dòng lùn
3.2

Propiedades de los Sólidos

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.2.A: Explicar la relación entre las propiedades macroscópicas de una sustancia, la estructura a nivel particulado de la sustancia y las interacciones entre estas partículas.

  • 3.2.A.1 Muchas propiedades de los líquidos y sólidos están determinadas por la intensidad y el tipo de fuerzas intermoleculares presentes. Dado que las interacciones intermoleculares se superan completamente cuando una sustancia se vaporiza, la presión de vapor y el punto de ebullición están directamente relacionados con la intensidad de esas interacciones. Los puntos de fusión también tienden a correlacionarse con la fuerza de las interacciones, pero como en la fusión las interacciones solo se reordenan, las relaciones pueden ser más sutiles.
  • 3.2.A.2 Las representaciones a nivel particulado que muestran múltiples especies químicas interactuantes son un medio útil para comunicar o comprender cómo las interacciones intermoleculares ayudan a establecer las propiedades macroscópicas.
  • 3.2.A.3 Debido a las fuertes interacciones entre iones, los sólidos iónicos tienden a tener bajas presiones de vapor, altos puntos de fusión y altos puntos de ebullición. Tienden a ser quebradizos debido a la repulsión de cargas iguales causada cuando una capa se desliza sobre otra capa. Conducen la electricidad solo cuando los iones son móviles, como cuando el sólido iónico se funde (es decir, en estado fundido) o se disuelve en agua u otro solvente.
  • 3.2.A.4 En los sólidos covalentes de red, los átomos están unidos covalentemente formando una red tridimensional (p. ej., diamante) o capas de redes bidimensionales (p. ej., grafito). Estos solo se forman a partir de no metales y metaloides: elementos (p. ej., diamante, grafito) o compuestos binarios (p. ej., dióxido de silicio y carburo de silicio). Debido a las fuertes interacciones covalentes, los sólidos covalentes tienen altos puntos de fusión. Los sólidos de red tridimensional también son rígidos y duros, porque los ángulos de enlace covalente son fijos. Sin embargo, el grafito es blando porque las capas adyacentes pueden deslizarse unas sobre otras relativamente fácilmente.
  • 3.2.A.5 Los sólidos moleculares están compuestos por unidades distintas e individuales de moléculas unidas covalentemente que se atraen entre sí mediante fuerzas intermoleculares relativamente débiles. Los sólidos moleculares generalmente tienen un bajo punto de fusión debido a las fuerzas intermoleculares relativamente débiles presentes entre las moléculas. No conducen la electricidad porque sus electrones de valencia están fuertemente retenidos dentro de los enlaces covalentes y los pares libres de cada molécula constituyente. Los sólidos moleculares a veces están compuestos por moléculas muy grandes o polímeros.
  • 3.2.A.6 Los sólidos metálicos son buenos conductores de electricidad y calor, debido a la presencia de electrones de valencia libres. También tienden a ser maleables y dúctiles, debido a la facilidad con la que los núcleos metálicos pueden reorganizar su estructura. En una aleación intersticial, los átomos intersticiales tienden a hacer que la red sea más rígida, disminuyendo la maleabilidad y la ductilidad. Las aleaciones típicamente retienen un mar de electrones móviles y, por lo tanto, permanecen conductoras.
  • 3.2.A.7 En biomoléculas grandes o polímeros, pueden ocurrir interacciones no covalentes entre diferentes moléculas o entre diferentes regiones de la misma biomolécula grande. La funcionalidad y las propiedades de tales moléculas dependen fuertemente de la forma de la molécula, la cual está dictada en gran medida por las interacciones no covalentes.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las propiedades de un sólido reflejan las partículas y fuerzas que lo mantienen unido: iónico, red covalente (una red 3D como el diamante, muy duro y de alto punto de fusión; grafito es una excepción en capas — de alto punto de fusión pero blando, porque sus capas 2D se deslizan unas sobre otras), metálico y molecular (mantenido por IMFs débiles, blando, de bajo punto de fusión). Relacionar las propiedades de un sólido con su estructura es una tarea común en exámenes.

Los sólidos metálicos conducen electricidad y calor, y son maleables 可锻的 y ** dúctiles** 可延展的, todo debido a que sus electrones de valencia libres 自由价电子 se mueven fácilmente y permiten que los iones metálicos se deslicen unos sobre otros sin romper el enlace. Los sólidos también pueden ser cristalinos 晶体 (partículas en un arreglo 3D regular y repetitivo) o amorfos 非晶体 (sin orden a largo alcance, como el vidrio).

Las cuatro estructuras sólidas: iónica gigante, molecular simple, covalente gigante y metálica
Las cuatro estructuras sólidas: iónica gigante, molecular simple, covalente gigante y metálica
3.3

Sólidos, Líquidos y Gases

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.3.A: Representar las diferencias entre las fases sólida, líquida y gaseosa mediante un modelo a nivel particulado.

  • 3.3.A.1 Los sólidos pueden ser cristalinos, donde las partículas están dispuestas en una estructura tridimensional regular, o pueden ser amorfos, donde las partículas no tienen una disposición regular ni ordenada. En ambos casos, el movimiento de las partículas individuales está limitado y las partículas no experimentan traslación global con respecto a otras. La estructura del sólido se ve influenciada por las interacciones interparticulares y la capacidad de las partículas para empaquetarse juntas.
  • 3.3.A.2 Las partículas constituyentes en los líquidos están en contacto cercano entre sí y se mueven y colisionan continuamente. La disposición y el movimiento de las partículas están influenciados por la naturaleza y la intensidad de las fuerzas (p. ej., polaridad, enlaces de hidrógeno y temperatura) entre las partículas.
  • 3.3.A.3 Las fases sólida y líquida de una sustancia particular suelen tener volúmenes molares similares porque, en ambas fases, las partículas constituyentes están en contacto cercano en todo momento.
  • 3.3.A.4 En la fase gaseosa, las partículas están en movimiento constante. Sus frecuencias de colisión y la separación promedio entre ellas dependen de la temperatura, la presión y el volumen. Debido a este movimiento constante y a los efectos mínimos de las fuerzas entre partículas, un gas no tiene ni un volumen definido ni una forma definida.
    • Afirmación de exclusión: No se evaluará en el Examen AP la comprensión e interpretación de diagramas de fases.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Los tres estados difieren en qué tan firmemente están unidas las partículas. El aumento de temperatura eleva la energía cinética promedio; cuando supera las atracciones, la sustancia se funde o hierve. Los gases están compuestos principalmente por espacio vacío, por lo que son compresibles y llenan su recipiente.

Las partículas están empaquetadas en un sólido, son móviles pero cercanas en un líquido, y están muy separadas en un gas
Las partículas están empaquetadas en un sólido, juntas pero móviles en un líquido, y separadas en un gas
Vapor ascendente del agua hirviendo: los gases se expanden para llenar el espacio y obedecen la ley de los gases ideales a altas T y bajas P
Vapor saliendo del agua hirviendo: los gases se expanden para ocupar espacio y obedecen la ley de los gases ideales a alta T y baja P
Explorar

Fusionar y hervir añadiendo calor

La temperatura determina la energía cinética promedio de las partículas. Caliente un sólido y las partículas rompen su patrón fijo (fusión), luego se dispersan completamente (ebullición).

3.4

La Ley de los Gases Ideales

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.4.A: Explicar la relación entre las propiedades macroscópicas de una muestra de gas o mezcla de gases utilizando la ley de los gases ideales.

  • 3.4.A.1 Las propiedades macroscópicas de los gases ideales están relacionadas a través de la ley de los gases ideales:
    • ECUACIÓN: $PV = nRT$.
  • 3.4.A.2 En una muestra que contiene una mezcla de gases ideales, la presión ejercida por cada componente (la presión parcial) es independiente de los otros componentes. Por lo tanto, la presión parcial de un gas dentro de la mezcla es proporcional a su fracción molar ($X$), y la presión total de la muestra es la suma de las presiones parciales.
    • ECUACIÓN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, donde $X_{A} =$ moles A/moles totales;
    • ECUACIÓN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
  • 3.4.A.3 Las representaciones gráficas de las relaciones entre $P$, $V$, $T$ y $n$ son útiles para describir el comportamiento del gas.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un gas ideal obedece

$$PV=nRT,$$
que vincula la presión, el volumen, los moles y la temperatura absoluta. Úsela para encontrar cualquier cantidad a partir de las demás, o (manteniendo algunas constantes) para predecir cómo responde un gas a un cambio.

Un gas ideal es un modelo de partículas puntuales sin fuerzas entre ellas
Un gas ideal es un modelo de partículas puntuales sin fuerzas entre ellas

Ejemplo resuelto. ¿Cuántos moles de gas llenan un recipiente de $2.0\ \text{L}$ a $300\ \text{K}$ y $1.5\ \text{atm}$? Usando $R=0.0821\ \text{L atm/(mol K)}$,

$$n=\frac{PV}{RT}=\frac{1.5\times2.0}{0.0821\times300}=0.12\ \text{mol}.$$
Siempre use kelvin para $T$ y haga coincidir las unidades de $R$ con su presión y volumen.

Explorar

Comprimir un gas y observar la presión

$PV = nRT$. A temperatura constante, comprimir el gas en un volumen menor acerca las moléculas, por lo que chocan contra las paredes con más frecuencia y la presión aumenta.

3.5

Teoría Cinético-Molecular

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.5.A: Explicar la relación entre el movimiento de las partículas y las propiedades macroscópicas de los gases con: i. La teoría cinético-molecular (KMT, por sus siglas en inglés). ii. Un modelo particulado. iii. Una representación gráfica.

  • 3.5.A.1 La teoría cinético-molecular (KMT) relaciona las propiedades macroscópicas de los gases con el movimiento de las partículas que los componen. La distribución de Maxwell-Boltzmann describe la distribución de las energías cinéticas de las partículas a una temperatura dada.
  • 3.5.A.2 Todas las partículas de una muestra de materia están en movimiento continuo y aleatorio. La energía cinética promedio de una partícula se relaciona con su velocidad promedio mediante la ecuación:
    • ECUACIÓN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
  • 3.5.A.3 La temperatura en escala Kelvin de una muestra de materia es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas de dicha muestra.
  • 3.5.A.4 La distribución de Maxwell-Boltzmann proporciona una representación gráfica de las energías/velocidades de las partículas a una temperatura determinada.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Teoría cinética: presión de un gas

La teoría cinético-molecular 分子运动论 explica el comportamiento de los gases: las partículas son pequeñas, están en movimiento aleatorio constante, tienen volumen despreciable y sin atracciones, y las colisiones son elásticas. La temperatura es proporcional a la energía cinética promedio, por lo que a una temperatura dada las moléculas más ligeras se mueven más rápido (ley de efusión de Graham).

La distribución de Maxwell-Boltzmann de las velocidades moleculares se desplaza hacia la derecha al calentarse
La distribución de Maxwell-Boltzmann de velocidades moleculares se desplaza hacia la derecha al calentarse
Explorar

Calentar un gas y observar la dispersión de velocidades

Las moléculas de gas tienen un rango de velocidades. Elevar la temperatura desplaza toda la distribución hacia velocidades más altas y la aplana, por lo que hay más moléculas moviéndose rápido.

3.6

Desviación de la Ley de los Gases Ideales

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.6.A: Explicar la relación entre el comportamiento no ideal de los gases, las fuerzas interpartículas y/o los volúmenes.

  • 3.6.A.1 La ley de los gases ideales no explica el comportamiento real de los gases reales. Las desviaciones respecto a la ley de los gases ideales pueden deberse a las atracciones interpartículas entre las moléculas de gas, especialmente en condiciones cercanas a aquellas que provocan la condensación. Las desviaciones también pueden surgir debido a los volúmenes de las partículas, especialmente a presiones extremadamente altas.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Los gases reales se desvían del comportamiento ideal a alta presión y baja temperatura, donde las moléculas están lo suficientemente cerca como para que su volumen real y sus atracciones sean relevantes. Las atracciones reducen la presión por debajo del valor ideal; el volumen molecular la aumenta.

3.7

Soluciones y Mezclas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.7.A: Calcular el número de partículas de soluto, el volumen o la molaridad de las soluciones.

  • 3.7.A.1 Las soluciones, también llamadas a veces mezclas homogéneas, pueden ser sólidos, líquidos o gases. En una solución, las propiedades macroscópicas no varían a lo largo de la muestra. En una mezcla heterogénea, las propiedades macroscópicas dependen de la ubicación en la mezcla.
  • 3.7.A.2 La composición de una solución puede expresarse de diversas formas; la molaridad es el método más común utilizado en el laboratorio.
    • ECU: $M = n_{solute}/L_{solution}$

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Una solución 溶液 es una mezcla homogénea de un soluto 溶 disuelto en un solvente 溶剂. La concentración suele expresarse en molaridad 摩尔浓度:

$$M=\frac{\text{moles of solute}}{\text{liters of solution}}.$$
La dilución conserva los moles: $M_1V_1=M_2V_2$.

Ejemplo resuelto. ¿Qué volumen de agua debe añadirse a $50\ \text{mL}$ de $6.0\ \text{M}$ HCl para hacer que quede $2.0\ \text{M}$? Los moles de HCl permanecen invariables, por lo que $M_1V_1=M_2V_2$ da el volumen final $V_2=\dfrac{M_1V_1}{M_2}=\dfrac{6.0\times50}{2.0}=150\ \text{mL}$. Por lo tanto, debe añadir $150-50=100\ \text{mL}$ de agua.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
solution/səˈluːʃn/ 溶液 róng yè
solute/ˈsɒljuːt/ 溶质 róng zhì
solvent/ˈsɒlvənt/ 溶剂 róng jì
molarity/məʊˈlærɪti/ 摩尔浓度 mó ěr nóng dù
3.8

Representaciones de Soluciones

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.8.A: Uso de modelos particulados para mezclas: i. Representar interacciones entre componentes. ii. Representar concentraciones de componentes.

  • 3.8.A.1 Las representaciones particuladas de soluciones comunican la estructura y las propiedades de las mismas, mediante la ilustración de las concentraciones relativas de los componentes en la solución y/o dibujos que muestren las interacciones entre los componentes.
    • Declaración de exclusión: Las propiedades coligativas no serán evaluadas en el Examen AP.
    • Declaración de exclusión: Los cálculos de molalidad, porcentaje en masa y porcentaje en volumen para soluciones no serán evaluados en el Examen AP.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un diagrama particulado muestra las partículas de soluto y solvente. Para un soluto iónico, represéntelo completamente disociado en iones separados rodeados por el solvente; cuente las partículas para razonar sobre la concentración y la conductividad.

3.9

Separación de Soluciones y Mezclas

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 3.9.A: Explicar los resultados de un experimento de separación basándose en las interacciones intermoleculares.

  • 3.9.A.1 Los componentes de una solución líquida no pueden separarse mediante filtración. Sin embargo, pueden separarse utilizando procesos que aprovechan las diferencias en las interacciones intermoleculares de los componentes.
    • i. La cromatografía (en papel, en capa delgada y en columna) separa especies químicas aprovechando la diferencia en la intensidad de las interacciones intermoleculares entre y dentro de los componentes de la solución (la fase móvil) y con los componentes superficiales de la fase estacionaria. El cromatograma resultante puede utilizarse para inferir las polaridades relativas de los componentes en una mezcla.
    • ii. La destilación separa especies químicas aprovechando la diferencia en la intensidad de las interacciones intermoleculares entre y dentro de los componentes y los efectos que estas interacciones tienen sobre las presiones de vapor de los componentes en la mezcla.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Como los componentes de una mezcla conservan sus propiedades, los métodos físicos los separan: filtración (por tamaño de partícula), destilación (por punto de ebullición) y cromatografía 色谱法 (por la fuerza con la que cada componente se adhiere a una fase estacionaria en comparación con su movimiento con el solvente).

La cromatografía en papel separa una mezcla a medida que el solvente asciende por el papel
Cromatografía en papel que separa una mezcla a medida que el solvente asciende por el papel
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/ 色谱法 sè pǔ fǎ
Solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 溶解度 róng jiě dù
Spectroscopy/spekˈtrɒskəpi/ 光谱学 guāng pǔ xué
photons/ˈfəʊtɒnz/ 光子 guāng zi
Beer–Lambert law/bɪə ˈlæmbət lɔː/ 比尔-朗伯定律 bǐ ěr - lǎng bó dìng lǜ
3.10

Solubilidad

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.10.A: Explicar la relación entre la solubilidad de compuestos iónicos y moleculares en disolventes acuosos y no acuosos, y las interacciones intermoleculares entre partículas.

  • 3.10.A.1 Las sustancias con interacciones intermoleculares similares tienden a ser miscibles o solubles entre sí.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La solubilidad 溶解度 es cuánto soluto se disuelve. "Lo semejante disuelve a lo semejante": los solutos polares (e iónicos) se disuelven en solventes polares; los no polares en no polares. La disolución ocurre cuando las atracciones soluto-solvente son comparables a las atracciones que se rompen.

Un grupo de cristales grandes, vítreos y de color azul brillante de sulfato de cobre
Cristales azules de sulfato de cobre(II) crecidos desde solución: una solución saturada dejada evaporar deposita de nuevo el sólido disuelto en forma de cristales regulares
3.11

Espectroscopía y el Espectro Electromagnético

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.11.A: Explicar la relación entre una región del espectro electromagnético y los tipos de transiciones moleculares o electrónicas asociadas con dicha región.

  • 3.11.A.1 Las diferencias en la absorción o emisión de fotones en distintas regiones espectrales se relacionan con los diferentes tipos de movimiento molecular o transición electrónica:
    • i. La radiación microondas está asociada a transiciones en niveles rotacionales moleculares.
    • ii. La radiación infrarroja está asociada a transiciones en niveles vibracionales moleculares.
    • iii. La radiación ultravioleta/visible está asociada a transiciones en niveles de energía electrónicos.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Espectroscopia 光谱学 estudia cómo la materia absorbe o emite luz. Las diferentes regiones del espectro electromagnético sondan cambios distintos: microondas (rotación), infrarrojo (vibraciones de enlace) y ultravioleta–visible (transiciones electrónicas). La luz absorbida revela la estructura.

Explorar

Escanear a través del espectro electromagnético

La luz es una onda con un rango de longitudes de onda. Una longitud de onda más corta implica mayor frecuencia y más energía por fotón, desde ondas de radio hasta rayos gamma.

3.12

Propiedades de los fotones

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.12.A: Explicar las propiedades de un fotón absorbido o emitido en relación con una transición electrónica en un átomo o molécula.

  • 3.12.A.1 Cuando un átomo o molécula absorbe (o emite) un fotón, la energía de la especie aumenta (o disminuye) en una cantidad igual a la energía del fotón.

  • 3.12.A.2 La longitud de onda de la onda electromagnética está relacionada con su frecuencia y la velocidad de la luz mediante la ecuación:

    • ECUACIÓN: $c = \lambda\nu$.

    La energía de un fotón está relacionada con la frecuencia de la onda electromagnética a través de la ecuación de Planck:

    • ECUACIÓN: $E = h\nu$.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La luz es transportada por fotones 光子, cada uno con energía $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$. Una frecuencia más alta (longitud de onda más corta) significa mayor energía. Una molécula absorbe un fotón solo cuando su energía coincide con una brecha energética permitida.

3.13

La ley de Beer-Lambert

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 3.13.A: Explicar la cantidad de luz absorbida por una solución de moléculas o iones en relación con la concentración, la longitud del camino óptico y la absorptividad molar.

  • 3.13.A.1 La ley de Beer-Lambert relaciona la absorción de luz por una solución con tres variables según la ecuación:

    • ECU: $A = \varepsilon bc$.

    La absorptividad molar, $\varepsilon$, describe qué tan intensamente una especie química absorbe luz de una longitud de onda específica. La longitud del camino óptico, $b$, y la concentración, $c$, son proporcionales al número de partículas que absorben luz en el trayecto de la luz.

  • 3.13.A.2 En la mayoría de los experimentos, la longitud del camino óptico y la longitud de onda de la luz se mantienen constantes. En tales casos, la absorbancia es proporcional únicamente a la concentración de moléculas o iones absorbentes. El espectrofotómetro generalmente se ajusta a la longitud de onda de máxima absorbancia (longitud de onda óptima) para la especie que se está analizando, con el fin de garantizar la máxima sensibilidad de la medición.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La ley de Beer-Lambert 比尔-朗伯定律 relaciona cuánto luz absorbe una solución con su concentración:

$$A=\varepsilon\,b\,c,$$
donde $A$ es la absorbancia, $\varepsilon$ la absorptividad molar, $b$ la longitud del camino óptico y $c$ la concentración. Dado que $A$ es proporcional a $c$, medir la absorbancia es una forma rápida de encontrar una concentración desconocida.

Ejemplo resuelto. Un colorante tiene una absorptividad molar $\varepsilon=2000\ \text{L/(mol cm)}$; en una celda de $1.0\ \text{cm}$ una muestra lectura absorbancia $A=0.40$. Su concentración es $c=\dfrac{A}{\varepsilon b}=\dfrac{0.40}{2000\times1.0}=2.0\times10^{-4}\ \text{M}$. Debido a que $A\propto c$, una solución el doble de concentrada leería $A=0.80$ – esto es la base de una curva de calibración.

Explorar

Relacionar absorbancia con concentración

La ley de Beer-Lambert establece que la absorbancia $A = \varepsilon b c$: la absorbancia es proporcional a la concentración, por lo que una línea de calibración permite determinar una concentración desconocida.

3.13

Consejos para el examen

  • Fuerzas intermoleculares (dispersión < dipolo-dipolo < puentes de hidrógeno) determinan los puntos de ebullición — son mucho más débiles que los enlaces dentro de una molécula.
  • La ebullición rompe las fuerzas entre moléculas, no los enlaces covalentes dentro de ellas.
  • Usa $PV=nRT$ con la temperatura en kelvin y $R$ ajustado a tus unidades de presión/volumen.
  • Para soluciones usa molaridad $M=\text{mol}/\text{L}$; la dilución conserva moles, por lo tanto $M_1V_1=M_2V_2$.
  • "Lo similar disuelve a lo similar" — solutos polares/iónicos se disuelven en disolventes polares, no polares en no polares.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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