Geometría Molecular, Fuerzas Intermoleculares, Sólidos y Materiales: Fundamentos de Química

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Geometría Molecular

Teoría RPECV (repulsión de pares de electrones de la capa de valencia). Según el número de pares de electrones alrededor del átomo central:

  • 2 pares: lineal (180°)
  • 3 pares: trigonal plana (120°)
  • 4 pares: tetraédrica (109,5°)
  • 5 pares: bipirámide trigonal (120° y 90°)
  • 6 pares: octaédrica (90°)

Una molécula es estable si tiene más electrones en orbitales moleculares enlazantes que antienlazantes.

Orden de enlace (OE) = ½ (número de electrones enlazantes − número de electrones no enlazantes)

Fuerzas Intermoleculares y Estado Líquido

  • Dipolo-dipolo: se presentan entre moléculas polares; son proporcionales al momento dipolar y al punto de ebullición.
  • Dipolo inducido-dipolo inducido (fuerzas de London): aumentan con la masa molar y están presentes en todas las sustancias.
  • Ion-dipolo: dependen de la carga y el tamaño del ion, y de la magnitud del momento dipolar y el tamaño de la molécula; se dan entre un ion y una molécula polar.
  • Enlace de hidrógeno: se produce cuando un átomo de H está unido a O, N o F.

Cambios de estado

Vapor → sólido: deposición. Sólido → vapor: sublimación.

Se cumple que ΔHvap > ΔHfus, y la entalpía de sublimación es la suma de ambas: ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap.

Propiedades y ecuaciones clave

  • Punto de ebullición: temperatura a la que la presión de vapor del líquido iguala la presión externa. El punto de ebullición normal corresponde a 1 atm.
  • Ecuación de Clausius-Clapeyron: ln P = −ΔHvap/RT + C
  • Temperatura crítica: temperatura por encima de la cual una sustancia no puede existir como líquido.
  • Presión crítica: presión mínima necesaria para licuar un gas a la temperatura crítica.
  • Fluido supercrítico: estado en el que no se distingue entre gas y líquido. En el diagrama de fases: abajo, gas; arriba, sólido; en el centro, líquido.
  • Viscosidad: aumenta con la fuerza de cohesión y disminuye al aumentar la temperatura.
  • Ley de Henry: la solubilidad de un gas es proporcional a su presión parcial (S = k·P).
  • Efecto de la temperatura en la solubilidad: en sólido–líquido (cristalización fraccionada) la solubilidad aumenta con la temperatura; en líquido–gas disminuye.

Sólidos

  • Sólidos amorfos: presentan SRO (orden de corto alcance) y no son cristalinos. Tienen temperatura de transición vítrea (Tg).
  • Sólidos cristalinos: presentan LRO (orden de largo alcance), organizados en una celda unidad. Su transición de fusión ocurre a la temperatura de fusión (Tm).

Factor de empaquetamiento (FE) = (nº de átomos × volumen de cada átomo) / volumen de la celda

Densidad = (nº de átomos × masa molar) / (volumen de la celda × número de Avogadro)

Contribución de los átomos según su posición en la celda: centro = 1, cara = 1/2, arista = 1/4, vértice = 1/8.

  • Alótropo: forma cristalina distinta de un mismo elemento (por ejemplo, el carbono en forma de diamante y grafito).
  • Polimorfo: forma cristalina distinta de un mismo compuesto.
  • Isotropía: propiedades que no dependen de la dirección en que se miden. Anisotropía: propiedades que sí dependen de la dirección.

Materiales

Cerámicos

Son materiales inorgánicos, no metálicos, con enlaces metálicos, iónicos o covalentes.

  • Cristalinos: silicatos, sílice cristalina y silicatos laminares.
  • Amorfos: sílice amorfa y vidrios (óxidos de calcio o plomo).

Comparación cerámicos frente a metales

Los cerámicos presentan menor densidad, mayor dureza, mejores prestaciones y mejor comportamiento frente a la temperatura.

Polímeros

Una macromolécula es una molécula con un gran número de átomos (entre 105 y 106 uma).

Monómero → macromolécula → polímero

Grado de polimerización (DP): número de monómeros que forman la macromolécula.

Un plástico está formado por un polímero y aditivos.

Aleaciones y dopado

  • Aleación: material formado por más de un elemento con características metálicas, en disolución o de forma heterogénea. Puede ser intersticial (el acero, con átomos de carbono en los huecos de la red) o sustitucional (el latón, donde átomos de zinc sustituyen a los de cobre).
  • Dopado: si se introduce un elemento con 5 electrones de valencia (P) en un semiconductor de 4 electrones (Si), los electrones extra ocupan la banda de conducción. Si se introduce un elemento con 3 electrones (B), aparecen huecos en la banda de valencia.