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Copyright 2011 Pearson Education, Inc.

Adaptado por:

Ileana Nieves Martínez

Líquidos, sólidos y fuerzasintermoleculares


Propiedades de las tres fases de la materia

• forma definida = mantiene su forma cuando ocupa un envase

• Forma indefinida = adquiere la forma del envase

2Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Estado Forma Volumen DensidadSólido definida definido alta No No Bien fuerteLíquido indefinida ~alta No Si intermedia

Gas indefinida indefinido baja Si Si débildefinido

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Las tres fases de agua


* Sólido=hielo; líquido=agua; gas=vapor

Esta no es la norma pero esvital para la vida como la conocemos.

Densidad y volumen molar del sólido y el líquido son másparecidos comparados con el gas.

* * *

:

,

,

sólido líquido gas

líquido sólido gas

sólido líquido

Note que para agua

V V V

vapor

Agua

hielo

Copyright 2011 Pearson Education, Inc.4

Rotaciónreorientación

VibraciónOscilación

TraslaciónMovimiento – 3D

© 2015 Ileana Nieves Martínez

Grados de libertad de movimeinto (F)

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Sólidos, líquidos y gases• SÓLIDOS:

Las partículas estánempacadas cerca y están en una posición fija (solo vibran).

• LÍQUIDOS: Están empacados, pero

pueden moverse con mayor libertad (vibran y rotan).

• GASES: Tienen completa libertad de

movimiento continuo (tralación, vibración y rotación).

Tro: Chemistry: A Molecular Approach 5

Sólido líquido gas

Copyright 2011 Pearson Education, Inc.Sólido amorfo

Sólidos

• Cristalinos – están ordenados en un patrón geométrico ordenado sales y diamante

• Amorfos – no muestran un patróngeométrico regularplásticos y vidrio


Estructura con ordenamiento regular

Sólido cristalino

Estructura sin ordenamiento

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Copyright 2011 Pearson Education, Inc.7Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e

Las moléculas están cerca –no se comprimen fácilmente

Las moléculas están distantes– se comprimen fácilmente

líquido

• Hay espacio grande entre partículas Comparado con el tamaño de las partículas Vm(gas) >> Vm(l), Vm(s)

Compresibilidad - gases


Las moléculas están cerca –no se comprimen fácilmente

Las moléculas están distantes– se comprimen fácilmente

líquido

• Hay espacio grande entre partículas Comparado con el tamaño de las partículas Vm(gas) >> Vm(l), Vm(s)

Compresibilidad - gases

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FASESEnergía Cinética vs Fuerzas de Atracción

EC vs FA

• La fase (estado) de la materia depende de la COMPETENCIA entre los siguientes factores:

1. La energía cinética (EC) de las partículas.

2. Las fuerzas de atracción (FA) entre laspartículas.



Cambios de fases

• Los cambios de fases suceden cuando: la EC >>> FA debido a un aumento en T.

Los sólidos se derriten.Los líquidos hierven.

la EC <<< FA debido a disminución de T y aumento de P.Los gases se condensan. Los líquidos se congelan.


CalentarCalentar o

Reducir presión

Enfriar Enfriar oAumentar presión


EC >>> FA EC >>> FA

EC <<< FA EC <<< FA

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Cambios de fases


CalentarCalentar o

Reducir presión

Enfriar Enfriar oAumentar presión


EC >>> FA EC >>> FA

EC <<< FA EC <<< FA

• Los cambios de fases suceden cuando: la EC >>> FA debido a un aumento en T.

Los sólidos se derriten.Los líquidos hierven.

la EC <<< FA debido a disminución de T y aumento de P.Los gases se condensan. Los líquidos se congelan.


Estados o fases y grados de libertad (F)• Gas - F: (tras, rot, vib)Las moléculas con completa libertad de movimiento.EC >>> FA

• Sólido - F: (vib)Moléculas están ancladas, no se mueven libremente.Vibran {No tienen traslación. ni rotación}.EC <<< FA

• Líquido - F: (rot, vib)Moléculas con libertad limitada – se mueven dentro de

la estructura del líquido.EC >> FA, pero no es suficiente para escapar.


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Energía Cinética

• Cuando EC aumenta, hay aumento en:Etras

movimiento de las partículas.

• Mientras mayor Etras, mayor la libertad de lasmoléculas.

• La <EC> {promedio} T<EC> = 1.5 kT



¿Por qué se atraen las moléculas? • Atracciones entre cargas opuestas: Iones: ión (+) a ión (−)Moléculas −

polares: terminal (+) a terminal (−).o Enlaces –H son especialmente fuertes.

no polares − cargas temporeras.

• Mayor carga = atracción más fuerte

• Mayor distancia = atracción más débil Son más débiles que la fortaleza de enlace.


Ley de Coulomb

Fuerzasintermoleculares

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Atracciones Intermoleculares• Determinan el estado de las sustancias:Sólidos o líquidos a temperatura de salón:

FA de moderadas a fuertes.

FA fuertes.o Mayor energía para separarlas y tienen alta:

» Temperatura de ebullición (Tv).

» Temperatura de fusión (Tf).

Gases:FA débiles



Un dipolo instantáneo en un átomo induce dipolosinstantáneos en los átomos vecinos que entonces se

atraen mutuamente (moléculas no−polares).

Fuerzas de dispersión (FD)

Un dipolo pemanente se observa en moléculas polares e induce que otros dipolo

vecinos se atraigan mutuamente.

Dipolo–dipolo (DD)

El H enlazado con átomo extremadamenteelectronegativo, (F, O o N), resulta en cargas parciales y atracciones dipolo-dipolo altas entre moléculas vecinas

Puentes de hidrógeno (PH)

Compuestos iónicos se atraen a los dipolospemanentes en moléculas polares.

Ión–Dipolo (ID)

RESUMEN

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Tipos de Fuerzas de Atracción• Fuerzas de dispersión (FD) polaridad temporera debido a una distribución desigual.

• Dipolo–dipolo (DD)Polaridad permanente debido a la estructura.

• Puentes de hidrógeno (PH) Atracción dipolo-dipolo fuerte que resulta cuando H se

acerca a un átomo extremadamente electronegativo.

• Ión–Dipolo (ID)mezcla con compuestos iónicos que se atraen a los

dipolos de moléculas polares.



Fuerzas de Dispersión


Marco 1 Marco 2 Marco 3

Un dipolo instantáneo (temporero) en cualquier átomo de helio induce dipolosinstantáneos en los átomos vecinos que entonces se atraen mutuamente.

FA que resultan de los dipolos temporeros (DT)Ej: Fuerzas de LondonEstán en todas la moléculas y átomos.

DT - fluctuaciones en la distribución electrónica en los átomos y moléculas.Exceso de densidad electrónica tiene una carga parcial negativa (─).Ausencia de densidad electrónica tiene una carga parcial positiva (+).

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Tamaño del dipolo inducido• La magnitud del diplo inducido depende

de: Polarizabilidad de los e−. volumen de la nube electrónica.

Mayor masa molar = mayor # de electrones = mayor nube electrónica = aumento en polarizabilidad = atracciónmayor.

• Forma de las moléculas:Mayor contacto superficie a superficie

= mayor el dipolo inducido = mayor atracción.

+ + + + + + +

- - - - - - -

++ + +

+

--

- --

Las moléculas planastiene mayor

interacción superficial que las esféricas.

+ + + + + + +++

+ + + ++

− −− −− −− −− −−− −

moléculas grandes tienenmás e−, que resulta en

aumento en polarizabilidad



Gases Nobles = elementos atómicos no polares

Aumenta la masa = aumenta el # de e−. : aumenta FD.

Efecto del tamaño de las moléculas en la magnitud de la fuerza de dispersión

FD aumenta - FA entre moléculas aumentan : Tv mayor


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Relación entre el punto de ebullición (Tv)y la masa molar (M) de moléculas no polares

Periodo

Pu

nto

de

ebu

llic

ión

, °C

Gases nobles

Halógenos

XH4


Propiedades de cadenas de alcanos moléculasno-polares (efecto en masa molar)


NombreMetanoEtanoPropanoButanoPentanoHexanoHeptanoOctanoNonanoDecanoUndecanoDodecanoTridecanoTetradecanoPentadecanoHexadecano

Masa Molar Densidad, g/mL

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Masa molar

Tem

pera

tura

, °C

Reláción entre el Tv y punto de congelación (Tf) de n-alcanos y la masa molar

Tv, n-alcanosTf, n-alcanos


Efecto de la forma molecularen la magnitud de la fuerza de dispersión


Area de interaccióngrande

Area de interacciónpequeña

n-pentanoMasa molar = 72.15 g/molTv = 36.1 °C

NeopentanoMasa molar = 72.15 g/molTv = 9.5 °C

Mientras mayor sea el contacto de superficie a

superficie entre lasmoléculas en n-pentanohabrá mayor atracción

por las fuerzas de dispersión

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Tv de Alcanos

• Cadenas con ramificaciones tienenTv menor que cadenassin ramificar

• Las cadenas sin ramificar tienen máscontacto superficie -superficie


Masa molar

Tem

pera

tura

, °C

Punto de ebullición de alcanos

n-alcanos

iso-alcanos


a) CH4 CH3CH2CH2CH3

b) CH3CH2CH=CHCH2CH3 ciclohexano

Ambas moléculas son no polares y se escoge la que tiene masa molar mayor

Ambas moléculas son no polares, pero mientras más plano el anillo habrá mayor contacto superficie-a-superficie


Práctica – Escoja la sustancia en cada para con el Tv más alto

C6H12 C6H12

C4H10

CH4

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a) CH4 CH3CH2CH2CH3

b) CH3CH2CH=CHCH2CH3 ciclohexano

Ambas moléculas son no polares y se escoge la que tiene masa molar mayor

Ambas moléculas son no polares, pero mientras más plano el anillo habrá mayor contacto superficie-a-superficie


Práctica – Escoja la sustancia en cada paracon el Tv más alto

C6H12 C6H12

C4H10

CH4


Atracciones Dipolo–Dipolo (DD)• Las moléculas polares tienen dipolos permanentes.

Debido a la polaridad de enlace y la geometría.Momento dipolar ().Simpre tiene el dipolo inducido presente.

• El dipolo permanente se suma a las FA entre moléculas.Aumento en Tv y el Tf comparado a moléculas no polares

de tamaño y geometría similar.


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Efecto de atracción DD en el Tv y Tf



MasaMolar

Punto de Ebullición

TamañoDipolo

Momento Dipolar (D)

Pun

tode

Ebu

llic

ión

(K)

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Ejemplo 11.1b: Determine si las atracciones dipolo–dipolo ocurren entre moléculas de CH2Cl2

CH2Cl2, EN C = 2.5, H = 2.1, Cl = 3.0Hay atracciones dipolo–dipolo presentes en moléculas polares

EN Forma

EstructuraLewis

Polaridad Enlace

Polaridad Molecular

Fórmula

Cl—C3.0−2.5 = 0.5polar

C—H2.5−2.1 = 0.4No-polar molécula polar; por lo tanto

atracciones D-D

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Enlaces polares y gmtetraedral → molécula polar

4 áreas de enlace0 pares solitarios = gm tetraedral

Tro: Chemistry: A Molecular Approach, 2/e


más polara) CH2FCH2F CH3CHF2

b)

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o

polar No-polar


Práctica – Escoja la sustancia en cada para con Tv mayor

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Puentes de H (PH)


Cuando H se enlaza directamente con F, O o N, los átomosadquieren cargas parciales altas que resulta en atraccionesdipolo-dipolo grandes entre moléculas vecinas

• Son FA bien fuertesP−H > D−D > FD

• NO tan fuertes como los enlaces químicos.2 a 5% la fortaleza de enlaces covalentes.

• Tv mayor que sustancias sin P−H.

HF


PH en agua


Puentes de H

Puentesde H

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Efecto de P-H en el Punto de ebullición


Puente de hidrógeno


Grupo 4 : moléculas no-polares, (hidruros), FA = fuerzas de dispersión que aumentan haciaabajo en la columna (masa), aumentando el Tv


Relación entre atracciones intemolecularesy el punto de ebullición (BP)

PeriodoPu

nto

de

ebu

llic

ión

, °C

Grupos 5, 6 y 7: moléculas polares, (hidruros), FD y D-D. Por lo tantomayor Tv que las moléculascorrespondientes al grupo.

HF, H2O, y NH3 tienen fuerzasD-D poco usuales, llamadasP-H. Por lo tanto tienenmayor Tv que el esperado.

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Un dipolo instantáneo en un átomo induce dipolosinstantáneos en los átomos vecinos que entonces se

atraen mutuamente.

Fuerzas de dispersión (FD)

Un dipolo pemanente se observa en moléculas polares e induce que otros dipolo

vecinos se atraigan mutuamente.

Dipolo–dipolo (DD)

El H enlazado con átomo extremadamenteelectronegativo, (F, O o N), resulta en cargas parciales y atracciones dipolo-dipolo altas entre moléculas vecinas

Puentes de hidrógeno (PH)

Compuestos iónicos se atraen a los dipolospemanentes en moléculas polares.

Ión–Dipolo (ID)

RESUMEN


Ejemplo 11.2: Uno de estos compuestos es líquido a temperaturade salón (los otros son gases). ¿Cuál es el líquido y por qué?

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MM = 30.03Polar

MM = 34.03Polar

MM = 34.02Polar


Determine los tipos de fuerzas de atracción, comparelas y evalúe la fortaleza. Formaldehído: Fuerzas de dispersión: MM 30.03, trigonal planarD-D: enlace C=O bien polar no cancelaP-H no O–H, N–H, o F–H por lo tanto no hay P-HFluorometano: Fuerzas de dispersión: MM 34.03, tetrahedralD-D: enlace C–F bien polar sin cancelarP-H: no O–H, N–H, o F–H por lo tanto no P-HPeróxido de Hidrógeno: Fuerzas de dispersión: MM 34.02, tetraedral angularD-D: enlaces O–H polares sin cancelarP-H: O–H, Por lo tanto hay P-H

formaldehído florometano Peróxido de hidrógeno

No P-H Hay P-HNo P-H

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a) CH3OH CH3CHF2

b) CH3-O-CH2CH3 CH3CH2CH2NH2

Práctica – Escoja la sustancia que:(a) es un líquido a temperatura de salón (la otra es gaseosa).(b) es soluble en agua.

P-H

P-H



Fuerzas de Atracción y solubilidad• La solubilidad depende de:FA entre Soluto y DisolventePolaridadPolar: Grupos hidrofílicos = OH, CHO, C=O, COOH, NH2, Cl

No-polar: Grupos hidrofóbicos = C-H, C-C


Pentano, C5H12 es no polar.

Agua es polar.

FAagua > FApentano.

Por lo tanto son inmiscibles.

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Diclorometano(cloruro de metileno)

Disolventes Polares


Fuerzas dipolares presentes

agua


Etanol(alcohol etílico)



Disolventes No-polares


n-hexano

tolueno

Tetracloruro de carbono

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Atracción Ión–Dipolo (ID)

• En una mezcla, los iones forman compuestos iónicos quese atraen a los dipolos de moléculas polares

• La fuerza de las atracción ión-dipolo es uno de los factores que determina la solubilidad del compuesto iónicoen agua.



Resumen de las fuerzas débiles o de van der Waals

Tipo de fuerza (1) Fuerzas de dispersión (2) Dipolo

Sutancia que la exhibe

Moléculas no polares.Son las más débiles

Moléculas covalentespolares

Origen de la fuerza

Características

Fluctuaciones eléctricasdébiles

Presentes en todas lasmoléculas, dependen de Masa

Atracción eléctrica entre los dipolos, por los enlaces polares.

Propiedadesdebidas a la fuerza

Tf y Tv bajos Tf y Tv más altos que lasmoléculas no polares de tamaño similar.

100°C - 600°C

Ejemplos Cl2, CH4, N2, O2, F2, Br2, He, Ar ICl, SO2, BiBr3, AlI3, SeO3


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Resumen de las fuerzas débiles o de van der Waals

Tipo de fuerza (3) Puentes de Hidrógeno (3) Ión - Dipolo

Sutancia que la exhibe

moléculas con H directamenteenlazado a O, N, o FSon las más fuertes de sustancias puras.

Mezclas de compuestos iónicos con moléculas polares

Origen de la fuerza

Características

Atracción eléctrica entre dipolos y H

Atracción eléctrica entre los iones y las moéculaspolares.Son las más fuertes

Propiedadesdebidas a la fuerza

Tf y Tv altos Tf y Tv más altos

Ejemplos HF, H2O Na+(ac); K+(ac)



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Agua – Substancia Extraordinaria• SustancIa molecular con capacidad calórica alta (C).

• Afecta el clima de regiones costeras.

• Se expande ≈ 9% cuando se congela a 1 atmDensidad de hielo < agua líquida.



Sólidos

Propiedades &

Estructura


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Red Cristalina o cristal perfecto• Sólido cristalino = cuando un líquido se enfría

lentamente, sus partículas se arreglan para lograrel máximo de FA para minimizar la energía.

Red cristalina - el arreglo de las partículas en un sólidocristalino.

Celda unitaria (CU) – La unidad más pequeña con un patrón definido en el sólido.



Celda unitaria (CU)


• Son tri-dimensionales• Se repiten

• “lattice point” o red punto = Cada partícula en la CU

• Planos de la red “Lattice planes” = conectan puntosequivalentes en las CU a través de la red cristalina

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Cubo Simple


Celda unitaria cúbica simple

Átomos por celda unitaria =

Átomo en cada de las 8 esquinas


Cúbica centrada en el cuerpo

“Body-Centered Cubic” (bcc)(centrada en el cuerpo)


Celda unitaria cúbica centrada en el cuerpo

Número de coordinación = 8Átomos por celdaunitaria =

Átomo en cada de las 8 esquinas

1 átomo en el centro

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Celda unitaria“Face-Centered Cubic” (fcc)

(centrada en la cara)Cúbica centrada en la cara# de coordinación = 12

Átomos por celda unitaria


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• Tipo de partículaMoleculares

Iónicos

AtómicosTipos de FA (sub-clasificación)

o No-enlazantes unidos por FD

o Metalico unidos por enlace metálicos

o Red covalente unidos por enlaces covalentes


Clasificación de Sólidos cristalinos


sólido cristalino

sólido molecular

Punto de fusiónalto

unido por furezasde dispersión


Punto de fusión bajo

Punto de fusiónbajo

Unido por enlaces covalentes

Unidad básicason átomos

sólido iónico

No-enlazante

Unido porenlaces iónicos

Unido pormoléculas

Sólidos atómicos

metálico

Unido por cationesy aniones (fórmula

unitaria)

Red covalente

Punto de fusiónvariable

hieloSal de mesa

Xenón sólido Oro Cuarzo(bióxido de silicio

Unido por enlaces metálicos


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sólido cristalino

sólido molecular


unido por furezasde dispersión


Punto de fusión bajo

Punto de fusiónbajo

Unido por enlaces covalentes

Unidad básicason átomos

sólido iónico

No-enlazante

Unido por enlaces metálicos

Unido pormoléculas

Sólidos atómicos

metálico

Unido por cationesy aniones (fórmula

unitaria)

Red covalente

Punto de fusiónvariable

hieloSal de mesa

Xenón sólido Oro Cuarzo(bióxido de silicio



Las características de los cristalesTipo de cristal

Enlace/Fuerzas Tf, °C Ejemplos

Iónico Fuerzas electrostáticas 300 - 1000 NaCl, LiBr

Molecular y atómico

Fuerzas de Van de Waals (FD, D-D, y P-H)

-260 - 400 He, C6H6 , CO2, H2O, C12H22O11

Metálico Electrones delocalizadosFA varía

por tamaño y cargas

100- 3500 Na, W, Hg

Macromolecular Covalentes 2000 - 3000 C, Si, SiO2

X2Y4-6Z8O20(OH,F)4


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Cristales Iónicos

CsClNC = 8

Cs+ = 167 pmCl─ = 181 pm

NaClNC = 6

Na+ = 97 pmCl─ = 181 pm


Cloruro de Cesio (CsCl) Cloruro de Sodio (NaCl)


Estructuras “Zinc Blende”


Estructuras “Fluorite”

Floruro de Calcio (CaF2)

Cristales Iónicos

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Sólidos atómicos metálicos



Enlace Metálico• Átomos de metales liberan sus e- de valencia (PI bajos)

• Catión Metálico “islas” en un “mar” fijo de electrones en movimiento

e-

e- e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

+ + + + + + + + +


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Sólidos atómico de malla cristalina

• Los átomos con enlaces covalentes con sus vecinos

• Debido a:Por la fortaleza de enlaces covalentes tienen Tf bien altos > 1000 °C.

• La dimensión de la malla afecta las propiedades físicas.



Sólido atómico (C) de diamante:estructura − red de 3−dimensiones

• C tiene cuatro enlaces covalentessp3

Geometría tetraedral.

• El cristal es una molécula gigante unida por enlaces covalentesSe puede trazar el paso desde cualquier átomo hacia

todos los demás


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Propiedades de Diamante • Tf bien alto, ~3800 °C

Tiene que romper algunos enlaces covalentes

• Bien rígido Por la dirección de los enlaces covalentes

• Bien duro Por los enlaces covalentes fuertes que

mantienen los átomos en su posición

Se usa como abrasivo

• Aislante Eléctrico

• Conductor Térmico El mejor conocido

• Químicamente no reactivo



Sólido atómico (C) de grafito:estructura − red de 2−dimensiones

• C en láminas enlazadas covalentementeForma anillos planos de seis carbonos unidos

similares a bencenoLargo de enlace = 142 pm

sp2

Cada C tiene tres enlces y uno

Geometría trigonal-planarCada lámina es una molécula gigantesca

• Las láminas se empacan y están unidas por FDLáminas están separadas por 341 pm


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Propiedades de Grafito• Cristales Hexagonales

• Tf alto, ~3800 °C Tiene que romper algunos enlaces covalentes

• Resbaloso Debido a que las láminas se unen por FD,

éstas pueden deslizarse entre ellas Planos deslizados

lubricantes

• Conductor Eléctrico Paralelos a las láminas

• Aislante Termal

• Químicamente no-reactivo



Silicatos, Si−O

• ~90% de la corteza terrestre

• Malla o red extensa de SiOA veces Al sustituye a los Si – aluminosilicatos

• Vidrio es la forma amorfa


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Quarzo

• La forma pura de SiO2Las impurezas le añaden color

• Red tri-dimensional de Si enlazados covalentemente a 4 O

• tetraedral• Se funde a ~1600 °C• Bien duro



Sólidos atómicos: Micas• Hay varios tipos de micas con composición

diferente – pero en general X2Y4-6Z8O20(OH,F)4

X es K, Na, o Ca o menos común Ba, Rb, o Cs

Y es Al, Mg, o Fe o menos común Mn, Cr, Ti, Li, etc.

Z es mayormente Si o Al pero puede incluir Fe3+ o Ti

• Minerales que son principalmente arreglos de 2-dimensiones de Si enlazados a OArreglos hexagonales

• Láminas

• Químicamente estables

• Aislante Termal y eléctrico


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Práctica – escoja el sólido de cada par con el punto de fusión más alto

a) KCl SCl2

b) C(s, grafito) S8

c) Kr K

d) SrCl2 SiO2 (s, cuarzo)


iónico Red cov.

molecular

molecular

iónico

Red cov.

Metálicoatómico

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