PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS.

Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquier parte se llama sustancia pura. El agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono, por ejemplo, son sustancias puras.

Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico. Una mezcla de varios de éstos también califica como una sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. El aire, por ejemplo, es una mezcla de varios gases, pero con frecuencia se considera como una sustancia pura porque tiene una composición química uniforme (Fig. 3-1).

El nitrógeno y el aire gaseoso son sustancias puras.

Sin embargo, la mezcla de aceite y agua no es una sustancia pura, ya que el aceite no es soluble en agua, por lo que se acumula en la superficie y se forman dos regiones químicamente distintas.

Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura mientras la composición química de las fases sea la misma (Fig. 3-2).

Una mezcla de agua líquida y gaseosa es una sustancia pura, pero una mezcla de aire líquido y gaseoso no lo es.

Una mezcla de hielo y agua líquida, por ejemplo, es una sustancia pura porque ambas fases tienen la misma composición química.

No obstante, una mezcla de aire líquido con otro gaseoso, no compone una sustancia pura debido a que la composición del aire líquido es distinta de la del gaseoso y por lo tanto la mezcla ya no es químicamente homogénea.

Esto se debe a que los diversos componentes del aire tienen distintas temperaturas de condensación a una presión especificada.

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

Por experiencia se sabe que las sustancias existen en fases diferentes. A temperatura y presión ambientes el cobre es un sólido, el mercurio un líquido y el nitrógeno un gas, pero en condiciones distintas, cada uno podría aparecer en fases diferentes.

Aunque son tres las principales —sólida, líquida y gaseosa—, una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con distinta estructura molecular. Por ejemplo, el carbono existe como grafito o diamante en la fase sólida, el helio tiene dos fases líquidas y el hierro tres fases sólidas.

A presiones altas, el hielo existe en siete fases diferentes. Una fase tiene una configuración molecular distinta, es homogénea en todas partes y está separada de las demás fases por superficies frontera de fácil identificación.

Las dos fases del H2O en el agua helada representan un buen ejemplo de esto.

Al estudiar dos fases o cambios de fase en termodinámica, no es necesario poner el interés en la estructura molecular y el comportamiento de las distintas fases, pero sí es muy útil comprender los fenómenos moleculares de cada fase.

A continuación se explica de manera breve las transformaciones de fase.

Los enlaces moleculares son más fuertes en los sólidos y más débiles en los gases, debido en parte a que las moléculas en los primeros están más próximas entre sí, mientras que en los gases se hallan separadas por distancias relativamente grandes.

Las moléculas en un sólido están dispuestas en un patrón tridimensional (red) que se repite por todo el sólido (Fig. 3-3).

Las moleculas en un solido se mantienen en sus posicines por medio de grandes fuerzas intermileculares similares a resortes.

A causa de las pequeñas distancias intermoleculares existentes en un sólido, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen en posiciones fijas (Fig. 3-4).

En un sólido, las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas tienden a mantenerlas a distancias relativamente constantes unas de otras.

Estas fuerzas de atracción entre moléculas se vuelven de repulsión a medida que la distancia intermolecular se aproxima a cero, lo cual evita que las moléculas se apilen unas sobre otras. Aunque las moléculas en un sólido permanecen en una posición relativamente fija, oscilan de manera continua respecto a sus posiciones de equilibrio. La velocidad de las moléculas durante estas oscilaciones depende de la temperatura: cuando ésta es muy alta, la velocidad (y en consecuencia la cantidad de movimiento) alcanza un punto donde las fuerzas intermoleculares disminuyen de forma parcial y en el que grupos de moléculas se apartan (Fig. 3-5). Éste es el comienzo del proceso de fusión.

Disposicion de los atomos en diferentes fases: a) las moleculas estan en posiciones relativamente fijas en un solido, b) grupos de moleculas se apartan entre si en la fase liquida y c) las moleculas se mueven al azar en la fase gaseosa.

El espaciamiento molecular en la fase líquida es parecido al de la fase sólida, excepto en que las moléculas ya no están en posiciones fijas entre sí y pueden girar y trasladarse libremente. En un líquido, las fuerzas intermoleculares son más débiles en relación con los sólidos, pero su fuerza es mayor comparada con la de los gases. Comúnmente las distancias entre moléculas experimentan un ligero incremento cuando un sólido se vuelve líquido, pero el agua es una notable excepción.

En la fase gaseosa, las moléculas están bastante apartadas, no hay un orden molecular, se mueven al azar con colisiones continuas entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Sus fuerzas moleculares son muy pequeñas, particularmente a bajas densidades, y las colisiones son el único modo de interacción entre las moléculas. En la fase gaseosa las moléculas tienen un nivel de energía considerablemente mayor que en la líquida o la sólida; por lo tanto, para que un gas se condense o congele debe liberar antes una gran cantidad de su energía.

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE EN SUSTANCIAS PURAS

Hay muchas situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en el condensador de una termoeléctrica, y el refrigerante pasa de líquido a vapor en el congelador de un refrigerador.

Aunque muchos consideran al congelamiento del agua en las tuberías subterráneas como el proceso de cambio de fase más importante, la atención en esta sección se centra en la líquida y de vapor, así como en su mezcla. Como sustancia familiar, el agua se usa para demostrar los principios básicos. Sin embargo, es necesario recordar que todas las sustancias puras exhiben el mismo comportamiento general.

Líquido comprimido y líquido saturado

Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20°C y 1 atm de presión (estado 1, Fig. 3-6).

A 1 atm y 20°C, el

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