Ud4 efq materia

Modul 5. Assajos fisicoquímics.
C.F.G.S. LABORATORI D’ANÀLISI I CONTROL DE QUALITAT
UD 4. ESTATS DE LA MATÈRIA
4.1. ESTAT SÒLID. PROPIETATS.
CARACTERÍSTIQUES.
4.2. SISTEMES I ESTRUCTURES CRISTAL·LINES.
CRISTAL·LITZACIÓ.
4.3. PRÀCTIQUES
Determinació de la densitat d’un sòlid
Determinació del punt de fusió d’un sòlid.
4.4. ESTAT GASÓS: PROPIETATS
4.4.1. DEFINICIÓ GAS IDEAL I GAS REAL
4.4.2. LLEIS DELS GASOS
4.4.3. GASOS REALS
UD4-TEORÍA 1

4.4. ANNEX
4.5. BIBLIOGRAFIA
UD 4.- Estados de la materia.
4.1. Estat sòlid: propietats. Característiques.
Un cos sòlid es caracteritza per que oposa resistència a canvis de forma i volum.
L’estat sòlid presenta les següents característiques generals:
- Forma i volum definits
- Cohesió (atracció)
- No es poden comprimir
- No flueixen
- Alguns sublimen (iode)
- Alta densitat, el sòlid més dens és un metall, l’osmi que té una densitat de 22,6 g/ml
- Punts de fusió elevats, degut als enllaços covalents i iònics.
UD4-TEORÍA 2

Els sòlids poden presentar les següents propietats especifiques, aquestes propietats ens
ajudaran a diferenciar entre els sòlids. Hi ha moltes propietats ja siguin mecàniques, físiques i
químiques per poder identificar un sòlid. Aquí en definim algunes:
Característiques mecàniques:
Elasticitat: L'elasticitat és la propietat mecànica d'alguns materials de patir deformacions
reversibles quan estan sota l'acció de forces exteriors i de recuperar la forma original si
aquestes forces deixen d'actuar. Poden quantificar l’elasticitat d’un sòlid amb assajos de
tracció, compressió i flexió, principalment.
http://tecnoman.wordpress.com/2007/11/25/un-assaig-de-traccio/ (vídeo)
Duresa: És la resistència que oposa un cos a ser ratllat o penetrat en la seva superfície. Per
determinar la duresa d’un material es realitzen assajos de duresa, que consisteixen en mesurar
l’empremta (principalment, segons mètode) que deixa un penetrador al aplicar una càrrega
sobre el material a assajar.
Tenacitat: La tenacitat és la capacitat que té un cos a deformar-se abans de trenacar. La
tenacitat es determina amb assajos de xoc.
Fragilitat: és la qualitat contrària a la tenacitat.
Fatiga: és la resistència al trencament per un esforç de magnitud o sentit variables.
Característiques físiques: (les que estudiem en aquest curs)
UD4-TEORÍA 3

Punt de fusió: és la temperatura a la que el sòlid es fon. Aquesta dada és característica del
sòlid i serveix per a la seva identificació. Aquesta temperatura, en el cas de mostres reals, sol
ser un rang de temperatures a causa de les impureses que pugui contenir el sòlid.
Calor latent de fusió: és l’energia necessària per passar un sòlid a líquid a una pressió
determinada.
Densitat: és la massa d’un sòlid per unitat de volum.
Calor específic: és la quantitat de calor necessària per augmentar un gram de matèria 1
grau de temperatura.
Conductivitat: propietat que tenen els sòlids de transmetre calor o electricitat.
4.2. Sistemes i estructures cristal·lines. Cristal·lització.
Quan un sòlid solidifica pot fer-ho situant els seus àtoms ordenats o desordenats. En el cas
d’àtoms desordenats estem parlant de sòlids amorfs, com per exemple, el polietilè, el vidre, la
fusta, cautxú,... En el cas d’àtoms ordenats estem parlant de sòlids cristal·lins, com per
exemple, el sulfat de coure, el clorur de sodi,...
L’ordre que adoptaran els àtoms serà diferent per cada substància. Aquesta estructura
ordenada, l’anomenem cel·la unitat, que s’anirà repetint formant el que anomenem sistemes
cristal·lins. Existeixen 7 sistemes cristal·lins que originen 14 xarxes de Bravais.
UD4-TEORÍA 4

http://www.hiru.com/es/geologia/geologia_00300.html
UD4-TEORÍA 5

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/1bachillerato/cristalizacion/conteni
do1.htm
Existeixen 4 tipus de sòlids, en funció de l’enllaç entre els seus àtoms. A la taula següent tens
tipus i característiques:
TIPUS DE
SÒLID
TIPUS
D’ENLLÀ
Ç
FORÇA
DE
L’ENLLÀ
Ç
ENERGIA DE
COHESIÓ
(passar a gas)
PRESSI
Ó DE
VAPOR
Tª
FUSI
Ó
CARACTERÍSTIQ
UES
MECÀNIQUES I
FÍSIQUES
EXEMP
LES
Cristalls
iònics
Iònic.
Atracció
positiu-
negatiu.
Alta. Molt alta.
(±1000KJ/mol).
Molt
baixa a
Tamb.
Molt
alta.
Durs i fràgils.
Conductors quan
estan fosos.
NaCl,
molts
halurs
alcalins.
Cristalls
de xarxes
covalents
Covalent. Molt alta. Molt alta.
(±2000KJ/mol)
Molt
baixa a
Tamb.
Molt
alta.
Els més durs. No
augmenta
conductivitat al
fondre.
Diamant.
Cristalls Metàl·lic. Variable. Mitja. Baixa. Alta. Brillen. Alta Plata, or,
UD4-TEORÍA 6

metàl·lics conductivitat
elèctrica i tèrmica.
Mal·leables.
platí.
Cristalls
molecular
s
Forces de
Van der
Waals.
Baixa. Baixa. Alta. Baixa. Tous. Compressibles
i fàcilment
deformables.
Conductivitat baixa.
Iode.
Cristal·lització
La cristal·lització és la formació d'un cristall.
Es pot donar en un medi natural o de formes sintètiques.
És el procés de formació de cristalls sòlids que precipiten des d'una solució, una substància
fosa o més rarament des d'un gas. La cristal·lització també és una tècnica de separació sòlid-
líquid, en la qual el solut es transfereix des d'una solució líquida, a una fase cristal·lina sòlida
pura.
La cristal·lització és pot donar a partir de la precipitació química obtinguda amb la variació de
les condicions de solubilitat del solut en el solvent, a diferència de la precipitació química
deguda a una reacció química.
Hi ha molts exemples de processos naturals que impliquen la cristal·lització.
Un exemple de cristal·lització natural és la de la sal marina en els llocs relativament càlids del
món. Aquest procés natural s’utilitza en algunes zones costaneres o llacs per l’obtenció de la
sal comuna.
Per aconseguir la cristal·lització des d’una solució, aquesta ha d’estar sobresaturada, cosa que
vol dir que, la solució ha de contenir més molècules o ions dissolts dels que podria contenir en
l’equilibri (solució saturada). Això es pot aconseguir per diversos mètodes.
Al laboratori la cristal·lització és un procés que consisteix a fer que el sòlid dissolt es vagi
dipositant lentament, bé sigui per l'evaporació del dissolvent, o bé per la disminució de la seva
UD4-TEORÍA 7

solubilitat amb el refredament de la solució. El sòlid no dissolt apareix en forma de cristalls al
fons i a les parets del recipient.
La cristal·lització al laboratori té com a objectiu purificar les diverses substàncies que es poden
trobar en una dissolució Si una solució que conté un solut acompanyat d'impureses es
concentra per evaporació, les impureses solubles no arriben a formar, en general, una solució
saturada ja que es troben en quantitats petites, per la qual cosa els cristalls que s'obtenen són
pràcticament de la substància que es vol purificar. Podem reduir aquestes impureses amb
recristal·litzacions successives.
4.4. ESTAT GASÓS: PROPIETATS.
Els gasos es caracteritzen per les seves propietats: són fluids i adopten la forma del recipient
on són ja que ocupen sempre tot l'espai disponible. Són fàcilment compressibles quan se'ls
aplica pressió i, si s'escalfen, es dilaten molt.
Aquestes propietats s'expliquen mitjançant la teoria cineticomolecular. Per tal que aquesta
teoria ens resulti senzilla, cal definir el concepte de gas ideal.
4.4.1. Definició de gas ideal i gas real
Considerem que un gas té un comportament ideal quan :
El volum de les seves molècules és negligible en comparació amb el volum que ocupen.
Les molècules es mouen en línia recta i en totes direccions ja que la força d'atracció entre
elles és molt petita.
En el seu moviment, les molècules xoquen entre elles de manera elàstica (sense perdre
energia) i contra les parets del recipient on es troben. Aquests xocs contra les parets
són la causa de la pressió que exerceixen els gasos.
Els gasos ideals no existeixen, però es fa servir aquest model per treballar molts aspectes de la
termodinàmica química. Un gas real s’aproxima a un gas ideal quan la pressió i la densitat
disminueixen i la temperatura augmenta. Podem dir que a temperatura i pressió ambientals, els
gasos a l’atmosfera ( gasos reals) s’aproximen molt a un comportament ideal.
4.4.2.Lleis dels gasos
UD4-TEORÍA 8

Observarem què els succeeix als gasos en variar les condicions a què estan sotmesos. I així,
descobrirem una sèrie de regularitats en el seu comportament que expressarem en forma de
lleis.
4.4.2.1 Variació del volum d’un gas amb la temperatura a pressió constant.
La dilatació dels gasos deguda a un augment de temperatura, mantenint la pressió constant, la
van estudiar Charles i Gay-Lussac (1802).
Experimentalment, es comprova que, quan la temperatura d’una massa de gas determinada
augmenta, si la pressió es manté constant, el volum de la massa de gas també augmenta; a
més a més, tots els gasos que tenen el mateix volum es dilaten de la mateixa manera amb un
mateix augment de temperatura.
Tots els gasos presenten el mateix coeficient de dilatació, igual a 1/273 (Llei de Charles i Gay
Lussac).
Això significa que si es disposa d’un volum V0 de gas a 0 °C i la seva temperatura s’eleva 1 °C,
a pressió constant, el volum augmenta en 1/273 respecte el volum inicial (1/273 V0). Si la
temperatura augmenta a 20 °C, aquest augment de volum serà 20 ×1/273 V0, etc. Si la
temperatura disminueix de 0 °C a –1 °C, el volum disminueixen 1/273 V0, i així successivament.
Per tant, si V és el volum de gas a una temperatura t, V0 el volum del gas a 0 °C i es representa
per α el coeficient de dilatació, es complirà que:
V= V0 (1 + αt) ó V/V0= (1 + αt)
V: Volum d’un gas a P constant.
V0: Volum del gas a la temperatura de 0ºC
α: Coeficient de dilatació cúbica. Constant que té un valor de (1/ 273,15)ºC
t: És la temperatura en ºC
A la figura següent,es pot veure com varia el volum d’un gas amb la temperatura a pressió
constant.
UD4-TEORÍA 9

Es veu com el volum decreix uniformement quan baixa la temperatura. La recta en traç continu
uneix punts que corresponen a dades trobades experimentalment i el traç discontinu és
l’extrapolació a volum V= 0.
Aquesta recta talla l’eix de temperatures a –273,15 °C (sovint s’arrodoneix el valor 273,15 a
273). Aquesta temperatura és la més baixa que pot assolir la matèria.Per això, la temperatura
de –273 °C s’anomena zero absolut de temperatura, ja que constitueix el veritable zero de
temperatura. Les temperatures mesurades a partir del zero absolut es denominen temperatures
absolutes.
Un gas es troba en condicions normals (c. n.) quan la seva temperatura és de 273 K (0
°C) i la seva pressió és 1,013 × 105 Pa (1 atm).
4.4.2.2 Escala absoluta de temperatura.
De la mateixa manera que hi ha l’escala de temperatura centígrada o Celsius, hi ha una escala
de temperatura absoluta. Cada grau d’aquesta escala s’anomena kelvin i se simbolitza per K. El
kelvin és una de les set unitats fonamentals del SI.
UD4-TEORÍA 10

Se simbolitza per t la temperatura en graus centígrads o Celsius i per T, la temperatura
absoluta.
Atès que el zero absolut està situat a –273 °C, la temperatura absoluta serà igual a la
centígrada més 273.
En general: T / K =t /º C+273
4.4.2.3. LLEI DE CHARLES I GAY-LUSSAC EN TEMPERATURES ABSOLUTES
El volum d’un gas ideal augmenta linealment al augmentar la temperatura, a pressió constant.
Aquesta relació es coneix com a llei de Charles i Gay-Lussac.
V 1
T1
=
V 2
T 2
a pressió constant
Aquesta expressió ens indica que:
A pressió constant, els volums ocupats per una mateixa massa de gas són directament
proporcionals a les seves temperatures absolutes.
Aquesta és la forma actual d’enunciar la llei de Charles i Gay-Lussac
UD4-TEORÍA 11

El volum d'un gas disminueix a mida que T, la temperatura absoluta, disminueix, i que seria
zero quan T=0, això ens fa pensar que T=0K, o per l'equació, t= -273,15ºC, és la temperatura
més baixa possible, ja que qualsevol temperatura menor correspondria a un volum negatiu de
gas. En realitat, a temperatures molt baixes, no es pot provar experimentalment l'enunciat, ja
que tots els gasos condensen a líquids quan la temperatura s'aproxima al zero de l'escala
Kelvin. Experimentalment s'ha vist que no es pot arribar a 0K, si no que només ens hi podem
aproximar. La temperatura més baixa a la que s'ha pogut arribar és 0,0014K.
4.4.2.4 Variació de la pressió d’un gas amb la temperatura a volum constant
Experimentalment es troba que, quan una massa de gas determinada s’escalfa a dins d’un
recipient tancat —és a dir, a volum constant—, augmenta la pressió exercida pel gas damunt
les parets del recipient que el conté.
S’observa que tots els gasos augmenten igual la pressió per a un mateix augment de
temperatura.
Així es dedueix que,
p1
T 1
=
p2
T 2
a volum constant
Aquesta expressió es coneix també per llei de Charles i Gay-Lussac.
.
Així doncs:
A volum constant, les pressions exercides per una mateixa massa de gas són directament
proporcionals a les seves temperatures absolutes
UD4-TEORÍA 12

4.4.2.5. LLEI DE BOYLE- MARIOTTE (1662)
Per a qualsevol quantitat d'un gas, el volum que ocupa és inversament proporcional a la
pressió a la que es troba, sempre que la temperatura es mantingui constant.
És a dir, a temperatura constant T, si augmenta la pressió disminueix el volum del gas.
Font: http://ca.wikipedia.org/wiki/Llei_de_Boyle
La expressió matemàtica que ho defineix és:
P · V = k a temperatura constant
La representació d’aquesta equació donaria una sèrie d'hipèrboles :
UD4-TEORÍA 13
Figura . Isotermes P-V per un gas ideal.

Font: http://www.uhu.es/gem/docencia/meteo-ccaa/practicas/3/3_pagina1.php
És a dir, si V1 és el volum ocupat per un gas a la pressió P1, V2 és l’ocupat a la pressió
P2, i V3 és l’ocupat a la pressió P3, es compleix que:
P1V1= P2V2= P3V3 = constant
Les pressions i els volums que apareixen en cada membre de l’anterior igualtat han de
correspondre a una mateixa massa de gas i s’han de mesurar a la mateixa temperatura.
Si la llei de Boyle i Mariotte es representa gràficament a diferents temperatures, s’obté
una hipèrbola per a cada temperatura, però en cada una, el producte de la pressió del gas
pel seu volum sempre és constant.
Els gasos no compleixen exactament la llei de Boyle i Mariotte. En realitat aquesta llei i
les que hem vist anteriorment, proporcionen uns valors aproximats, però aquests valors
són tant més exactes com més baixa és la pressió a la qual estan sotmesos.
4.4.2.6. EQUACIÓ DELS GASOS IDEALS.
L'equació del gasos ideals és la que expressem a continuació, deduïda a partir de les tres lleis
dels gasos estudiades, Boyle i Mariotte, Charles i Gay-Lusac:
Aquesta expressió, coneguda amb el nom de llei general dels gasos per-fectes, indica
que:
Per a una mateixa massa de gas, el producte de la pressió pel seu volum dividit per la seva
temperatura absoluta és una quantitat constant.
p1 V 1
T1
=
p2 V2
T 2
=...=cons tan t
Unitats:
SI No SI ni CGS
P Pa atm
UD4-TEORÍA 14
P⋅V=n⋅R⋅T

V m
3
L
n mol mol
R 8,3144Pa· m
3
· mol
-1
·K
-1
0,08206 L·atm·mol
-1
·K
-1
T K K
4.4.2.7 Volum ocupat per un mol de gas: volum molar
S’anomena volum molar el volum ocupat per un mol d’un element o compost, sigui en estat
sòlid, líquid o gasós. El volum molar se simbolitza per Vm.
S'observa a la figura que cada recipient conté un mol de gas diferent. Experimentalment, es
comprova que, si els gasos es troben a la mateixa pressió i temperatura, el volum ocupat per
un mol és el mateix en cada cas. Es pot comprovar que passa el mateix en la resta de gasos.
En cada recipient hi ha el mateix nombre de molècules de gas, per tant:
Volums iguals de gasos en les mateixes condicions de pressió i temperatura tenen el mateix
nombre de molècules.
En el cas particular que un gas estigui en condicions normals, el volum que ocupa un mol de
qualsevol gas és de 22,4 dm3
UD4-TEORÍA 15

4.4.2.8 Llei de Dalton de les pressions parcials dels gasos.
Les lleis dels gasos ideals s’apliquen tant a gasos individuals, com a mescles de
gasos. En efecte: la pressió exercida per un gas depèn de la temperatura, del volum i del
nombre de partícules de gas, però no de la classe de gas.
En una mescla de gasos, cada gas exerceix la seva pròpia pressió, que és independent de la
pressió exercida per la resta de gasos que constitueixen la mescla. Si es coneix la pressió
exercida per cada gas, podem sumar les pressions individuals i tindrem la pressió total.
S’anomena pressió parcial d’un gas A en una mescla de gasos, la pressió que exerciria el gas
B si ell sol ocupés tot el volum de la mescla, a la mateixa temperatura. Se simbolitza per PA.
De la definició de pressió parcial es dedueix que, en una mescla de gasos A, B i C, la pressió
parcial del gas A és:
PA V= nA R T En què V és el volum ocupat per tota la mescla.
Anàlogament:
PB V= nB R T i PCV= nCR T
Sumant membre a membre les tres expressions obtenim:
PTV= nT R T On pt= pressió total, nt= nombre total de mols gasosos
La pressió total exercida per una mescla de gasos és igual a la suma de les pressions parcials
de tots els seus components.
El quocient nA/nts’anomena fracció molar del gas A en la mescla gasosai se sol representar
per χA.
Així: La pressió parcial d’un gas A, en una mescla de gasos, és igual a la pressió total
multiplicada per la fracció molar del gas A
UD4-TEORÍA 16
ptotal = pA + pB + pC + ...

4.4.3. GASOS NO IDEALS
Segons la teoria cineticomolecular, les molècules dels gasos ideals es mouen lliurament i les
forces intermoleculars són nul.les. Però enrealitat, les molècules exerceixen entre elles una
petita atracció, que creix en augmentar la pressió i estar les partícules més juntes. Aquesta
atracció molecular frena les molècules, en xocar contra les parets del recipient que les conté.
Com a conseqüència d’això, la pressió realment exercida és menor que el valor calculat,
suposant el gas ideal. Solament a pressions baixíssimes —molècules molt separades—
aquesta força d’atracció és negligible. Per això, un gas real cumpleix les lleis dels gasos ideals
només a pressions extremadament baixes.
UD4-TEORÍA 17
La pressió total de la mescla de gasos és de 60 kPa. La
pressió parcial del gas B en la mescla de gasos és de 30
kPa, que és la mateixa pressió que exerciria si ell sol ocupés
tot el volum de la mescla, a la mateixa temperatura.

Per altra banda, les molecules ocupen un cert volum, en augmentar la pressió sobre la massa
de gas, es fa disminuir solament l’espai lliure entre les molècules i no el volum total, ja que
l’espai ocupat per les molècules és incompressible.
L’equació dels gasos ideals es pot aplicar a pressions baixes, no molt superiors a 1 atm, i a
temperatures força superiors al punt de condensació del gas. Així, l’equació dels gasos ideals
és una aproximació a equacions d’estat més exactes, que s’utilitzen quan els gasos estan a
pressions altes i temperatures baixes. Aquestes equacions més exactes són matemàtcament
més complicades.
Es defineix el factor de compressibilitat a:
z=
P⋅V m
R⋅T
On:
P és la pressió
Vm és el volum que ocupa un mol
R és la constant dels gasos
T la temperatura.
Si el gas fos ideal, z seria igual a 1.
Una equació empírica pels gasos reals va ser generada per J.D. van der Waals en 1873.
L’equació de Van der Waals és:
On a i b, son constant positives característiques de cada gas.
A continuació les a i b, d’alguns gasos:
a (L
2
· atm · mol
-2
) b (L · mol
-1
)
NH3 4,170 0,03707
Ar 1,345 0,03219
Cl2 6,493 0,05622
H2 0,244 0,02661
N2 1,390 0,03913
UD4-TEORÍA 18

4.4 ANNEX
UNITATS DE PRESSIÓ I ELS SEUS FACTORS DE CONVERSIÓ
Pascal bar N/mm² kp/m² kp/cm² atm Torr
1 Pa (N/m²)= 1 10-5
10-6
0,102 0,102×10-4
0,987×10-5
0,0075
1 bar (daN/cm²) = 100000 1 0,1 1020 1,02 0,987 750
1 N/mm² = 106
10 1 1,02×105
10,2 9,87 7500
1 kp/m² = 9,81 9,81×10-5
9,81×10-6
1 10-4
0,968×10-4
0,0736
1 kp/cm² = 98100 0,981 0,0981 10000 1 0,968 736
1 atm (760 Torr) = 101325 1,013 0,1013 10330 1,033 1 760
1 Torr (mmHg) = 133 0,00133 1,33×10-4
13,6 0,00136 0,00132 1
Font: http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n
4.5 BIBLIOGRAFIA
Bruce H. Mahan, Química: curso universitario, Addison-Wesley Iberoamericana, 1990
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n (visitada febrer 2013)
Mahan, Myers. Quimica, curso universitario, Ed. Addison-Wesley iberoamericana. 4a edició.
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/1bachillerato/cristalizacion/contenido1.htm
http://www.uhu.es/gem/docencia/meteo-ccaa/practicas/3/3_pagina1.php (visitada
febrer 2010)
UD4-TEORÍA 19

Ud4 efq materia

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (10)

More from Mferavi

More from Mferavi (20)

Ud4 efq materia