Química General · Exam review
Repaso para el examen: líquidos, sólidos y disoluciones
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
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Lo que aprenderás
- Identify the intermolecular forces in a pure substance or a mixture and use them to rank boiling points, vapor pressures and melting points.
- Use the two-point Clausius–Clapeyron equation to find ΔHvap, a vapor pressure or a boiling temperature, and apply vapor pressure to condensation and dew-point problems.
- Calculate the heat for each segment of a heating curve and read phase diagrams, including triple points, critical points and the slope of the solid–liquid line.
- Count atoms and formula units in cubic unit cells and interconvert density, edge length and atomic radius.
- Convert between molarity, molality, mole fraction and mass percent, using density where needed.
- Calculate and compare colligative properties, including Raoult's law for one or two volatile components and molar masses from colligative data.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (7 partes)
Fuerzas intermoleculares: las reglas de decisión
Toda molécula tiene fuerzas de dispersión de London, y estas aumentan con el número de electrones y con el área de contacto. Una molécula polar añade fuerzas dipolo–dipolo. El enlace de hidrógeno requiere un H unido a N, O o F en una molécula y un par solitario en N, O o F de otra; un H unido a carbono nunca cuenta, así que el dimetil éter puro y la acetona pura no tienen enlaces de hidrógeno, aunque ambos aceptan enlaces de hidrógeno del agua. En disolución, los iones atraen los dipolos de un disolvente polar (fuerzas ion–dipolo). A masa molar parecida el orden es solo dispersión < dipolo–dipolo < enlace de hidrógeno: el etanol hierve a 78 °C y el dimetil éter (dibujado al lado, misma fórmula C₂H₆O) a −24 °C. El tamaño puede vencer a la polaridad: el Cl₂ no polar (34 electrones) hierve a −34 °C, por encima del HCl polar (18 electrones) a −85 °C. Los sólidos iónicos funden a mayor temperatura cuando los iones son pequeños y muy cargados: el MgO funde cerca de 2850 °C y el NaCl a 801 °C. Fuerzas más fuertes implican un punto de ebullición más alto, un ΔHvap mayor y una presión de vapor más baja.
Presión de vapor y la ecuación de Clausius–Clapeyron
La presión de vapor de un líquido puro depende solo de la temperatura. No depende de cuánto líquido haya ni del volumen que tiene encima, siempre que quede algo de líquido. Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión externa; el punto de ebullición normal es la temperatura a la que iguala 1 atm (760 torr). Entre dos temperaturas, ln(P₂/P₁) = −(ΔHvap/R)(1/T₂ − 1/T₁) con R = 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹, T en kelvin y el logaritmo natural. Ejemplo resuelto: el agua tiene 23.8 torr a 25.0 °C y ΔHvap = 44.0 kJ/mol, así que a 35.0 °C ln(P₂/23.8) = (44 000/8.314)(1/298.15 − 1/308.15) = 0.576, y P₂ = 23.8 × 1.779 = 42.3 torr. Una fase gaseosa solo puede contener vapor hasta su presión de vapor: el agua se condensa (se forma rocío) cuando el aire se enfría hasta la temperatura a la que la presión de vapor iguala la presión parcial del agua presente. Trampas: temperaturas en Celsius, log₁₀ en lugar de ln (lo que hace que ΔHvap quede 2.303 veces demasiado pequeño) y J frente a kJ.
Curvas de calentamiento y diagramas de fases
En una curva de calentamiento, los tramos con pendiente calientan una sola fase: q = m·c·ΔT. Los tramos planos son cambios de fase a temperatura constante: q = n·ΔH. Ejemplo resuelto: 10.0 g de hielo a −10.0 °C hasta agua líquida a 25.0 °C requieren 10.0 × 2.09 × 10.0 = 209 J, luego (10.0/18.02) × 6010 = 3335 J para fundir, y después 10.0 × 4.18 × 25.0 = 1045 J, en total 4.59 kJ. A potencia de calentamiento constante, el tramo con mayor calor específico sube más despacio. Fundir solo afloja las atracciones, mientras que vaporizar separa por completo las moléculas, así que ΔHfus < ΔHvap; y ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap a la misma temperatura, por lo que ΔHsub es el mayor de los tres. Un líquido sobreenfriado que se congela de golpe se calienta hasta su punto de fusión con el calor que libera su congelación parcial. En un diagrama de fases, cada línea es un equilibrio entre dos fases. Por debajo de la presión del punto triple no existe líquido, así que calentar un sólido en esas condiciones lo hace sublimar; por encima de la temperatura crítica ninguna presión puede licuar el gas, que se convierte en fluido supercrítico. Una línea sólido–líquido inclinada hacia la derecha significa que el sólido es más denso que el líquido; la del agua se inclina hacia la izquierda porque el hielo es menos denso.
Sólidos y celdas unitarias cúbicas
Tipos de sólido: molecular (fuerzas de dispersión, dipolo o enlace de hidrógeno), iónico, red covalente y metálico. En una celda cúbica un átomo en un vértice cuenta 1/8, un átomo en una arista 1/4, un átomo en una cara 1/2 y un átomo en el cuerpo 1. Cúbica simple: 1 átomo, número de coordinación 6, a = 2r, 52 % ocupado. Cúbica centrada en el cuerpo: 2 átomos, número de coordinación 8, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo, así que √3·a = 4r, 68 % ocupado. Cúbica centrada en las caras: 4 átomos, número de coordinación 12, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal de la cara, así que √2·a = 4r, 74 % ocupado. Densidad ρ = n·M/(NA·a³), con a convertida de pm a cm (1 pm = 10⁻¹⁰ cm). Ejemplo resuelto: el cobre es fcc con a = 361.5 pm, así que ρ = 4 × 63.55/(6.022 × 10²³ × (3.615 × 10⁻⁸ cm)³) = 8.94 g/cm³. Muchos sólidos iónicos son una red fcc de aniones con cationes en los huecos; por celda fcc hay 4 huecos octaédricos y 8 tetraédricos. La sal de roca (NaCl, dibujada) ocupa todos los huecos octaédricos (4 NaCl por celda), la blenda de zinc (ZnS) la mitad de los huecos tetraédricos (4 ZnS por celda), y la fluorita (CaF₂) tiene Ca²⁺ en las posiciones fcc con F⁻ en los 8 huecos tetraédricos (4 CaF₂ por celda).
Unidades de concentración y conversiones
Molaridad M = mol de soluto por litro de disolución; molalidad m = mol de soluto por kilogramo de disolvente; fracción molar χ = mol de un componente ÷ mol totales; porcentaje en masa = masa de soluto ÷ masa de disolución × 100; ppm = masa de soluto ÷ masa de disolución × 10⁶. La molalidad, la fracción molar y el porcentaje en masa no cambian con la temperatura; la molaridad sí, porque el volumen cambia. Para convertir, elige una cantidad cómoda y usa la densidad para relacionar masa y volumen. Ejemplo resuelto: NaCl al 10.0 % en masa, densidad 1.071 g/mL. Toma 100.0 g de disolución: 10.0 g de NaCl = 0.1711 mol y 90.0 g de agua, así que m = 0.1711/0.0900 = 1.90 mol/kg. Los 100.0 g ocupan 100.0/1.071 = 93.4 mL, así que M = 0.1711/0.0934 = 1.83 mol/L. Trampa: la molalidad divide entre la masa de disolvente, nunca entre la masa de disolución.
Propiedades coligativas
Las propiedades coligativas dependen de la concentración de partículas disueltas. Ley de Raoult: P(disolvente) = χ(disolvente)·P°(disolvente). Para dos líquidos volátiles cada uno obedece su propia ley de Raoult, el total es la suma, y el vapor es más rico en el líquido más volátil: y(A) = P(A)/P(total). Una presión de vapor total por encima del valor de la ley de Raoult (desviación positiva) significa que las atracciones A–B son más débiles que el promedio de A–A y B–B y que la mezcla es endotérmica; una presión menor significa atracciones A–B más fuertes. ΔTf = i·Kf·m y ΔTb = i·Kb·m (agua: Kf = 1.86 y Kb = 0.512 °C kg/mol), y π = i·M·R·T con R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹. El factor de van 't Hoff ideal i cuenta los iones por unidad fórmula (glucosa, dibujada, 1; NaCl 2; CaCl₂ 3); los electrolitos reales quedan un poco por debajo por el apareamiento de iones. Ejemplo resuelto: Na₂SO₄ 0.100 m ideal tiene ΔTf = 3 × 1.86 × 0.100 = 0.558 °C y congela a −0.558 °C. Para hallar una masa molar, obtén los moles de soluto a partir del efecto medido y luego divide los gramos entre los moles; la presión osmótica es el método preferido para moléculas grandes porque incluso molaridades muy pequeñas dan presiones medibles.
Lo que conviene recordar
Nombra primero las fuerzas: dispersión siempre, dipolo–dipolo para moléculas polares, enlace de hidrógeno solo para H unido a N, O o F, ion–dipolo en disoluciones salinas; fuerzas más fuertes implican puntos de ebullición más altos y presiones de vapor más bajas. Usa ln(P₂/P₁) = −(ΔHvap/R)(1/T₂ − 1/T₁) con kelvin y logaritmos naturales. En las curvas de calentamiento usa m·c·ΔT en las pendientes y n·ΔH en las mesetas. Cuenta los átomos de la celda unitaria con 1/8, 1/4, 1/2 y 1, asocia sc, bcc y fcc con a = 2r, √3·a = 4r y √2·a = 4r, y usa ρ = n·M/(NA·a³) en cm. Convierte concentraciones eligiendo una base y usando la densidad, y para las propiedades coligativas cuenta partículas: ΔT = i·K·m, π = i·M·R·T y P = χ·P°.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 1
- ¿Sublima el yodo al calentarlo a 1 atm?Usa la presión del punto triple para predecir si un sólido se funde o sublima al calentarlo a 1 atm.
Clasificar 6
Concentración y propiedades coligativas
- ¿Qué concentración va en cada ecuación?Relaciona las ecuaciones del punto de congelación, la presión osmótica y la ley de Raoult con la unidad de concentración que exige cada una.
Sólidos y celdas unitarias
- ¿Qué afirmación sobre la celda unitaria es verdadera?Identifica el número de átomos, el número de coordinación, la dirección de contacto o la eficiencia de empaquetamiento correctos para las celdas unitarias cúbicas.
- ¿Qué mantiene unido al argón sólido?Clasifica un sólido de gas noble según la única fuerza atractiva disponible entre sus átomos.
Fuerzas intermoleculares y presión de vapor
- Puentes de hidrógeno entre dos moléculas diferentesDecide si dos moléculas diferentes de una mezcla pueden formar puentes de hidrógeno, comprobando si hay un H dador sobre N, O o F y un par solitario aceptor.
- ¿Qué afirmación sobre la presión de vapor es verdadera?Identifica la afirmación correcta sobre lo que cambia y lo que no cambia la presión de vapor de un líquido puro.
Cambios de fase y diagramas de fase
- ¿Cuál afirmación sobre el diagrama de fase es verdadera?Identifica la afirmación correcta sobre puntos triples, puntos críticos, puntos de ebullición normales y la línea de fusión del agua.
Comparar 4
Concentración y propiedades coligativas
- Puntos de congelación de cuatro disoluciones acuosasOrdena disoluciones acuosas según su punto de congelación usando el producto del factor de van 't Hoff por la molalidad.
Sólidos y celdas unitarias
- Aristas de la celda unidad de cuatro metales cúbicosOrdena metales cúbicos según la longitud de la arista de su celda unidad combinando el radio atómico con la dirección de contacto de su tipo de celda.
Cambios de fase y diagramas de fase
- Tres entalpías de cambio de fase del aguaOrdena las entalpías de fusión, vaporización y sublimación según lo que cada cambio hace a las atracciones intermoleculares.
Fuerzas intermoleculares y presión de vapor
- Cuatro compuestos de masa casi igualOrdena los puntos de ebullición de compuestos de masa molar similar a partir de sus momentos dipolares y su capacidad de formar puentes de hidrógeno.
Calcular 18
Fuerzas intermoleculares y presión de vapor
- Ebullición de la acetona a presión reducidaUsa la ecuación de Clausius–Clapeyron y un punto de ebullición normal para hallar la temperatura de ebullición a una presión reducida.
- Punto de rocío del aire húmedo de veranoHalla el punto de rocío del aire a partir de su humedad relativa usando la presión de vapor y la ecuación de Clausius–Clapeyron.
- Vapor de hexano en un matraz trasladado a un baño de hieloDecide si un vapor se condensa al enfriarse y calcula la masa de líquido formada, usando Clausius–Clapeyron y la ley de los gases ideales.
- ΔHvap del metanol a partir de su punto de ebullición normalCombina una presión de vapor con el punto de ebullición normal en la ecuación de Clausius–Clapeyron para obtener ΔHvap.
Sólidos y celdas unitarias
- Radio atómico del aluminio a partir de su densidadHalla un radio atómico a partir de la densidad obteniendo primero la arista de la celda cúbica centrada en las caras y usando después el contacto por la diagonal de la cara.
- Unidades fórmula en la celda de la fluoritaCuenta los iones de una celda unidad iónica con fracciones de compartición y convierte ese conteo en unidades fórmula.
- Densidad del molibdeno a partir de su radio atómicoCalcula la densidad de un metal cúbico centrado en el cuerpo a partir de su radio atómico usando el contacto por la diagonal del cuerpo.
- Densidad de la blenda de zincDeduce el número de unidades fórmula en una celda de blenda de zinc a partir de la ocupación de los huecos y úsalo para calcular la densidad.
Cambios de fase y diagramas de fase
- Evaporar el benceno con un calentador constanteUsa la duración de una meseta de la curva de calentamiento para hallar la potencia del calentador y luego cronometra los tramos restantes.
- Fundir galio en la manoCombina un paso de calentamiento y un paso de fusión para hallar el calor necesario para fundir un metal que parte por debajo de su punto de fusión.
- Agua sobreenfriada que se congela de repenteUsa un balance de energía para hallar qué fracción de un líquido sobreenfriado se congela cuando vuelve a su punto de congelación.
Concentración y propiedades coligativas
- Punto de ebullición de una disolución de cloruro de calcioCalcula el punto de ebullición de una disolución de electrolito a partir de datos de masa, la molalidad y el factor de van 't Hoff ideal.
- Fracción molar de etanol en una mezcla al 40 %Convierte una composición en masa en una fracción molar.
- Vapor sobre masas iguales de metanol y etanolCombina una conversión de masa a fracción molar con las leyes de Raoult y de Dalton para hallar la composición del vapor sobre una mezcla líquida ideal.
- Porcentaje en masa de una disolución de KI 2.50 mConvierte una molalidad en porcentaje en masa eligiendo un kilogramo de disolvente como base.
- Masa molar de una proteína a partir de la presión osmóticaDetermina la masa molar de una macromolécula a partir de la presión osmótica de una disolución diluida.
- Molalidad de una disolución de sacarosa 0.500 MConvierte la molaridad en molalidad usando la densidad de la disolución y la masa de soluto.
Solids and unit cells
- Edge length of the KCl cell from its densityCalculate the edge length of a rock-salt unit cell from the density and molar mass of the compound.
Encuentra el error 2
Fuerzas intermoleculares y presión de vapor
- Un ΔHvap demasiado pequeñoDiagnostica un error en Clausius–Clapeyron recalculando lo que daría cada desliz habitual.
Cambios de fase y diagramas de fase
- Encuentra el paso que falta en una curva de calentamientoEncuentra el tramo omitido en un cálculo de curva de calentamiento de varios pasos.
Interpreta la evidencia 4
Concentración y propiedades coligativas
- Una mezcla por encima de la línea de RaoultInterpreta una desviación positiva de la ley de Raoult en función de las fuerzas relativas de las atracciones intermoleculares entre moléculas distintas y entre moléculas iguales.
- ¿Cuántos cloruros lleva el metal?Usa un descenso del punto de congelación medido para hallar el factor de van 't Hoff y deducir la fórmula de un soluto iónico.
Cambios de fase y diagramas de fase
- ¿Qué parte de la curva de calentamiento del agua sube más despacio?Relaciona las pendientes de una curva de calentamiento con los calores específicos de las fases a potencia de calentamiento constante.
- Interpretar el diagrama de fases de la sustancia QUsa los datos del punto triple, el punto crítico y la línea de fusión para predecir las fases por las que pasa una sustancia a lo largo de distintas trayectorias.
Trabaja hacia atrás 2
Concentración y propiedades coligativas
- Fórmula molecular a partir del punto de congelación del alcanforParte de un descenso del punto de congelación para llegar a la masa molar y de ahí a la fórmula molecular de un compuesto cuya fórmula empírica se conoce.
Sólidos y celdas unitarias
- Fórmula de un óxido a partir de sus huecos ocupadosTrabaja a la inversa desde la ocupación de huecos en un arreglo cúbico centrado en las caras de aniones para llegar a la fórmula y la carga del catión de un compuesto iónico.
Planea una síntesis 1
- Preparar una solución salina que iguale a la sangreCalcula la masa de un electrolito necesaria para una solución con una presión osmótica objetivo, usando el factor de van 't Hoff.
Explica por qué 2
Fuerzas intermoleculares y presión de vapor
- Por qué el Cl₂ apolar hierve por encima del HCl polarExplica por qué una molécula apolar más grande puede hervir por encima de una polar más pequeña comparando las fuerzas de dispersión y las dipolo–dipolo.
- Por qué el KBr se disuelve en agua pero no en hexanoExplica la solubilidad de un sólido iónico en agua pero no en un disolvente no polar en términos de fuerzas ion–dipolo y energía reticular.
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