Date post: | 19-Jan-2016 |
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INTRODUCCIÓN
El presente trabajo es una investigación documental enfocada en los
sólidos y líquidos (hierro y agua), resaltando su descripción cinético-
molecular, las fuerzas intermoleculares existentes en ellos, sus
propiedades, la estructura y tipo de enlace presente en los mismos, y su
uso y aplicación a nivel industrial.
Así mismo, la materia es todo lo que ocupa espacio, volumen y posee
masa. Además se puede encontrar en los tres estados de agregación;
solido, liquido y gaseoso. Sin embargo los estados de la materia más
estudiados debido a su tangibilidad son, solido y liquido. El hierro por
ejemplo, es un metal que en su estado natural es solido; no obstante este
pude cambiar a estado liquido al someterse a altas temperaturas, se
puede encontrar en la corteza terrestre en un 6,2 % en masa; por ser una
sustancia monoatómica posee características y propiedades muy
diferentes a las de una sustancia molecular como es el caso del agua.
De la misma manera el agua es una sustancia molecular que esta
formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, su estado
natural es el liquido, sin embargo al someterla a diferentes temperaturas
pude cambiar a los estados, solido y gaseoso.
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DESCRIPCIÓN CINÉTICA-MOLECULAR
La descripción cinética-molecular, consiste en describir el
comportamiento y las propiedades de la materia.
Descripción cinética-molecular del hierro (Fe)
El hierro es un metal magnético, maleable y de color blanco brillante,
pertenece al grupo de los metales de transición y es el mas abundante de
la corteza terrestre (6.2% en masa), posee un a estructura cristalina
cubica centrado en el cuerpo y una electronegatividad de 1,8. El hierro
puro en estado natural es solido (ferromagnetico) a temperatura ambiente
y presión atmosférica, con una densidad de 7.86 g/cm3, y con una dureza
que oscila entre 4 y 5. Se puede presentar en su fase solida en cuatro
formas alotrópicas: hierro ordinario o hiero alfa, hierro beta, hierro gamma
y hierro delta. Sin embargo el hierro pude llegar a estado líquido en un
punto de fusión de 1536 ºC formando una masa esponjosa, que
posteriormente se podrá trabajar a través de moldes o procesos químicos,
mecánicos o térmicos; y en estado gaseoso en un punto de ebullición de
3000 ºC.
Descripción cinética-molecular del agua (H2O)
El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Es el compuesto
más abundante e importante de nuestro planeta. Por ser un líquido, tiene
un volumen definido y adopta la forma de su contenedor. Además es
ligeramente compresible, por lo que sus moléculas se deslizan entre si
libremente. En la naturaleza se halla en los tres estados de agregación:
solido (hielo), cuya energía cinética es muy baja, casi inmóviles, en
estado líquido (agua), al tener mas temperatura aumenta la energía
cinética por lo tanto el movimiento de las moléculas es mayor,
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produciendo roturas en los enlaces de hidrógeno, y en estado gaseoso
(vapor) la energía cinética es tal que se rompen todos los enlaces de
hidrógeno quedando todas las moléculas libres. Es una molécula muy
polar debido a la gran diferencia de electronegatividad entre el hidrogeno
(2.1) y el oxigeno (3.5). El agua posee una densidad de 1g/cm3. El punto
de ebullición es de 100ºC y el punto de sodificacion o congelación es de
0º, bajo la presión de una atmosfera.
FUERZAS INTERMOLECULARES
Las fuerzas intermoleculares, son fuerzas de atracción y repulsión
entre moléculas, como consecuencia de la polaridad que poseen las
mismas. Entre las fuerzas intermoleculares tenemos: dipolo-dipolo, ion-
dipolo, dispersión de London y puentes de hidrogeno.
En el caso del agua (H2O) por ser una sustancia cuya molécula esta
formada por dos átomos de hidrogeno (H2) y uno de oxigeno (O), la
fuerza intermolecular que actúa entre sus moléculas se denomina puente
de hidrogeno (ver figura 1.1), es una caso de interacción dipolo-dipolo
muy fuerte y, se presenta entre moléculas covalentes polares que tienen
H y uno de los tres elementos muy electromagnéticos de tamaño
pequeño; F, O ó N. El agua tiene dos tipos de enlaces: los enlaces
covalentes que existen entre los átomos de hidrogeno y los de oxigeno
dentro de una molécula, y los puentes de hidrogeno, que pueden existir
entre átomos de hidrogeno de distintas moléculas de agua. En el agua
cada molécula esta enlazada a otra por puentes hidrogeno y se forma un
agregado tridimensional de moléculas de agua.
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Figura 1.1 Puente de hidrogeno (señalado por las flechas azules)
El hierro es una sustancia metálica monoatómica en la cual no actúa
ningún tipo de fuerza intermolecular, sin embargo actúa una fuerza de
atracción entre partículas (cationes-electrones) que forman un enlace
metálico, este es un enlace químico que une a los átomos de los metales,
cuyo modelo más sencillo se conoce como “mar de electrones” (ver figura
1.2), este modelo representa como un conjunto ordenado de iones
positivos, se encuentran anclados en su posición, como boyas en un
“mar” móvil de electrones. Las sustancias metálicas como el hierro se
caracterizan por tener propiedades como: conductividad eléctrica elevada,
conductividad térmica elevada, ductilidad y maleabilidad, brillo e
insolubilidad en agua y en otros disolventes comunes.
Figura 1.2 Mar de electrones. Cada esfera representa un núcleo y los electrones internos un átomo metálico.
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PROPIEDADES DEL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO
Viscosidad (N-s/m2)
La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir; cuanto mas viscoso
es un líquido, más lento es su flujo. La viscosidad de un liquido suele
disminuir con el aumento de la temperatura; por esta razón la mezcla
caliente fluye mas rápido que cuando esta fría. Los líquidos con fuerzas
intermoleculares fuertes son mas viscosos que los que tienen fuerzas
intermoleculares débiles; es por esto que el agua tiene mayor viscosidad
tiene mayor viscosidad que muchos otros liquido por su capacidad para
formar puente de hidrogeno.
Tensión superficial (dinas/ cm)
La tensión superficial es una medida de fuerza elástica que existe en la
superficie de un líquido; es la cantidad de energía necesaria para estirar o
aumentar las fuerzas de un líquido por unidad de área. Los líquidos que
tienen fuerzas intermoleculares grandes también poseen tensiones
superficiales altas. Como consecuencia de los puentes de hidrogeno, el
agua tiene una tensión superficial mucho mayor que la mayoría de los
líquidos.
Fuerza de cohesión
La cohesión es una fuerza intermolecular de atracción, es decir, que
une moléculas similares unas de las otras, como los puentes de
hidrogeno en las moléculas del agua.
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Fuerza de adhesión
La adhesión es una fuerza intermolecular de atracción entre moléculas
distintas, es decir, que une una sustancia a una superficie. El agua
colocada en un tubo de vidrio se adhiere al vidrio porque las fuerzas de
adhesión entre el agua y el vidrio son más intensas que las fuerzas de
cohesión entre las moléculas de agua.
Presión de vapor (torr)
Es la presión parcial de las moléculas de vapor sobre la superficie del
líquido en equilibrio a una temperatura dada. Debido a que la rapidez de
evaporación aumenta conforme lo hace la temperatura, la presión de
vapor de los líquidos siempre aumenta a medida que la temperatura
aumenta.
Punto de ebullición (ºC)
El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor
de un líquido es igual a la presión externa. El punto de ebullición normal
de un líquido es la temperatura a la cual hierve cuando la presión externa
es exactamente igual a 1 atmosfera (760torr). El punto de ebullición
normal del agua es de 100 ºC; su presión de vapor a esta temperatura es
760 mm de Hg.
Calor especifico (J/g. ºC)
El calor especifico (J/g. ºC) o la capacidad calórica molar (J/mol. ºC) de
un liquido es la cantidad de calor que debe suministrarse a la masa
establecida del liquido para elevar su temperatura a grados Celsius. Si se
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suministra calor a u liquido a presión constante, la temperatura aumenta
hasta alcanzar su punto de ebullición.
Punto de fusión (ºC)
El punto de fusión de un solido o el punto de congelación de un liquido
es la temperatura a la cual las fases solidas y liquidas coexisten en
equilibrio. El punto de fusión (o congelación) normal de una sustancia es
la temperatura a la cual una sustancia se funde (o se congela) a 1
atmosfera de presión.
Propiedades liquidas del agua (H2O)
Viscosidad (a 20 ºC) 1.01 x 10-3 (N-s/m2)
Tensión superficial (a 20 ºC)
72.8 dinas/cm
Presión de vapor (a 100 ºC)
760 torr (1 atm)
Fuerza de cohesión alta
Fuerza de adhesión alta
Punto de ebullición 100 ºC
Calor especifico 1 caloría/g ºC
Punto de fusión 0 ºC
CURVA DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DEL AGUA
La curva de calentamiento es una grafica que representa la absorción
de calor, por esas sustancias, cuando pasa del estado solido al estado de
vapor. (Ver figura 2.1)
.
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Figura 2.1 Curva de calentamiento del agua.
El calentamiento del hielo de -25 ºC se representa con el segmento de
la línea AB. La conversión del hielo a 0 ºC a agua a 0 ºC origina el
segmento horizontal BC. La adición de más calor aumenta la temperatura
del agua hasta llegar a 100 ºC (segmento CD). En ese momento el calor
se utiliza para convertir agua en vapor a una temperatura constante de
100 ºC (segmento DE). Una vez que toda el agua se ha convertido en
vapor, este se calienta a su temperatura final de 125 ºC (segmento EF).
Las curvas de enfriamiento son una representación gráfica de la
temperatura de un material frente al tiempo conforme este se enfría. (Ver
figura 2.2)
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Figura 2.2 Curva de enfriamiento del agua
DIAGRAMAS DE FASES (PRESIÓN CONTRA T)
Los diagramas de fases muestran las relaciones del equilibrio
temperatura-presión entre fases diferentes de una sustancia pura en un
sistema cerrado. (Ver figura 3.1). Los diagramas de fases permiten
predecir los cambios de punto de fusión y el punto de ebullición de una
sustancia debido a los cambios de la presión externa. También permiten
anticipar las direcciones de las transiciones de las fases producidas por
los cambios de temperatura y presión.
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Figura 3.1 Diagrama de fases del agua
Las graficas (a y b) se dividen en tres regiones y cada una representa
una fase pura. La línea que separa dos de las regiones indica las
condiciones de presión y temperatura en las cuales pueden coexistir dos
fases en equilibrio. En la grafica a indica el punto en el que las tres fases
pueden coexistir en equilibrio (0.006 atm y 0.01 ºC). En la grafica b se
aprecia que a medida que se incrementa la presión del hielo desciende su
punto de fusión y que al incrementar la presión del agua se eleva su
punto de ebullición.
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Figura 3.2 Diagrama de fases del hierro puro.
El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas separadas y
distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se
observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1)
líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3) vapor, Fe γ y Fe α.
Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida
a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua el
enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase
producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C
se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a
temperatura ambiente.
ESTRUCTURAS DE SOLIDOS: AMORFOS Y CRISTALINOS
Los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos (no cristalinos). Un solido
amorfo (sin forma) es una solido cuyas partículas no tienen una estructura
ordenada. Estos sólidos carecen de formas y caras bien definidas.
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Un solido cristalino es un solido cuyos átomos, iones o moléculas
están ordenados en disposiciones bien definidas. Estos sólidos suelen
tener superficies planas o caras que forman ángulos bien definidos entre
si. Los sólidos tienden a cristalizar en formas geométricas bien definidas
que con frecuencia pueden apreciarse a simple vista. Los cristales tienen
formas geométricas definidas debido a que los átomos o los iones
presentes están ordenados según un patrón tridimensional definido. Entre
las estructuras o celdas presentes en los metales tenemos: cubica
sencilla (SC), cubica centrada en las caras (FCC) y cubica centrada en el
cuerpo (BCC). (Ver figura 4)
Figura 4 Tipos de celdas (estructuras) que se ven en las redes cubicas
En el caso del hierro que es un metal cristalino, posee una estructura
centrada en el cuerpo (BCC), es decir, su estructura es un cubo con
átomos en cada vértice y uno en el centro del cubo.
TIPOS DE ENLACES PRESENTES EN LOS SOLIDOS
Sólidos moleculares
Los sólidos moleculares consisten en átomos o moléculas unidos por
fuerzas intermoleculares, fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de
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London y puentes de hidrogeno. Se caracterizan por ser blandos, con
punto de fusión de bajo a moderadamente alto, baja conductividad
térmica y eléctrica.
Sólidos de red covalente
Los sólidos de red covalente consisten en átomos unidos en grandes
redes o cadenas mediante enlaces covalentes. Estos se caracterizan por
ser, muy duros, con un punto de fusión muy alto, comúnmente bajo en
conductividad térmica y eléctrica.
Sólidos iónicos
Los sólidos iónicos consisten en iones que se mantienen unidos por
enlaces iónicos; las fuerzas del enlace iónico dependen en gran medida
de las cargas de los iones. Estos se caracterizan por ser, duros y
quebradizos, alto punto de fusión, baja conductividad térmica y eléctrica.
Sólidos metálicos
Los sólidos metálicos consisten exclusivamente en átomos de metal.
Los sólidos metálicos suelen tener estructuras de empaquetamiento
hexagonal, de empaquetamiento compacto cubico (cúbica centrada en las
caras) o cúbica centrada en el cuerpo. (Ver figura 4)
El hierro es un tipo de solido cristalino, que se caracteriza por
presentar características propias de un solido metálico, puede ser blando
o muy duros, su punto de fusión suelen ser desde bajos hasta altos, son
excelentes conductores térmicos y eléctricos, son maleables y dúctiles.
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USO Y APLICACIÓN DEL HIERRO A NIVEL INDUSTRIAL
En la industria el Hierro y sus derivados tiene una amplio uso por el ser
humano, ya que es fácilmente moldeable a altas temperaturas pero a
temperatura ambiente es extremadamente resistente a los esfuerzos,
mecánicos, químicos o vibracionales. El hierro es el metal más usado, con
el 95% en peso de la producción mundial de metal. Se considera que una
aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el
porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición. El acero es
indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en
automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios.
El hierro es uno de los materiales más utilizados y aplicados para la
construcción de toda clase de objetos y herramientas. El hierro dulce,
aleación del hierro con pequeñas cantidades de carbón, forja, soldadura,
y debido a su magnetismo, en electroimanes, aparatos eléctricos,
motores, etc. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos
siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros
elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren
distintas propiedades al material.
USO Y APLICACIÓN DEL AGUA A NIVEL IDUSTRIAL
El agua es el compuesto más abundante e importante de nuestro
planeta. El uso del agua va aumentando en relación a la cantidad de agua
disponible. A escala mundial, el 70% de la extracción anual de agua para
el uso humano se destina a la agricultura (principalmente para regadío);
para la industria el 22% y para el consumo doméstico (el hogar, agua de
boca y saneamiento) representa un 8%.
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La industria, como motor esencial del crecimiento económico, requiere
recursos suficientes de agua como materia prima básica; entre los
principales usos del agua en la industria tenemos: en los sanitarios, se
emplean en inodoros, duchas e instalaciones que garanticen la higiene
personal, transmisión de calor o refrigeración, aproximadamente el 80 %
del agua industrial corresponde a esta aplicación, siendo las centrales
térmicas y nucleares las instalaciones que mas agua necesitan,
producción de vapor, la utilizan para la obtención de un medio de
calentamiento del liquido que se desea elaborar, en la utilización como
disolvente en lo diferentes procesos productivos, y uno de los uso mas
importantes que puede tener el agua, es la obtención de energía a través
de las centrales hidroeléctricas y las actividades que usan vapor de agua
para el movimiento de turbinas.
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CONCLUSIÓN
Aunque los seres humanos viven inmersos en una mezcla de gases
que conforman la atmosfera de la tierra, están más familiarizados con el
comportamiento de los líquidos y sólidos. A diario se utiliza el agua,
liquido de suma importancia para los seres humanos, con el cual realizan
innumerables actividades de la vida cotidiana, como cocinar, bañarse,
lavar, beber y a nivel industrial; también se esta en contacto con
materiales sólidos como lo es el hierro, que puede estar presente al
manipular y utilizar objetos diariamente, como la reja de la casa, las
monedas, las sillas, entre otras…
Igualmente el agua es un líquido vital para los seres humanos, la
podemos encontrar en tres estados, solido (hielo), liquida (agua) y
gaseosa (vapor). Es una sustancia molecular en la cual actúan ciertas
fuerzas de atracción como lo son el puente de hidrogeno, fuerza de
cohesión y adhesión; en las cuales se aprecia las propiedades de esta
sustancia en estado liquido, como lo es la viscosidad, tensión superficial,
punto de ebullición, etc.
Así mismo el hierro que es una sustancia monoatómica, a diferencia
del agua en el no actúa una fuerza intermolecular, sino que por ser un
solido metálico en el esta presente los enlaces metálicos y además
cumple con ciertas características propias de este tipo de solido.
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BIBLIOGRAFÍA
RAYMOND, Chang. –Química-. Editorial Mac Graw Hill.
HEIN, Arenas. –Fundamentos de química-. Editorial Thomson
BROWN, LeMay y Bursten. –Química la Ciencia Central-. Editorial
Prentice Hall.
MASTERTON, Huerly.-Principios y reacciones Química-. Editorial
Thomson.
SÁNCHEZ, Javier. –Química-. Editorial nauta.
El hierro. www.wikipedia.com
Agua: uso y tratamiento. www.profesorenlinea.com
Propiedades del hierro. www.lenntech.com
Fuerzas intermoleculares. www.scrib.com
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