El diamante funde a tres mil quinientos cincuenta grados Celsius. El yodo funde a ciento catorce. Ambos están hechos solo de átomos no metálicos, y en…
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4.1
The gaseous state · El estado gaseoso
Syllabus
English
explain the origin of pressure in a gas in terms of collisions between gas molecules and the wall of the container
understand that ideal gases have zero particle volume and no intermolecular forces of attraction
state and use the ideal gas equation$pV = nRT$ in calculations, including in the determination of $M_r$
Español
explicar el origen de la presión en un gas en términos de las colisiones entre las moléculas del gas y las paredes del recipiente
comprender que los gases ideales tienen volumen de partícula cero y no presentan fuerzas intermoleculares de atracción
enunciar y utilizar la ecuación de los gases ideales$pV = nRT$ en cálculos, incluida la determinación de $M_r$
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios Cambridge International
English
Where gas pressure comes from
Gas molecules move fast in all directions. They keep hitting — colliding 碰撞 with — the walls of their container. Each hit gives the wall a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the overall result of these many collisions on the walls.
Ideal gases
An ideal gas 理想气体 is a simple model. We assume two things:
the particles themselves take up zero volume.
there are no intermolecular forces 分子间作用力 of attraction between the particles.
A real gas 实际气体 follows this model closely at low pressure and high temperature. It behaves least like an ideal gas at high pressure and low temperature, when the particles are squeezed close together and the forces between them start to matter.
The ideal gas equation
The ideal gas equation 理想气体方程 links pressure, volume, amount and temperature:
$$pV = nRT$$
where $p$ is the pressure in Pa, $V$ is the volume in $\text{m}^3$, $n$ is the amount in moles, $T$ is the temperature in kelvin 开尔文 (K), and $R$ is the gas constant 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).
Always change the units first: °C to K (add 273), and $\text{cm}^3$ or $\text{dm}^3$ to $\text{m}^3$.
Worked example. Find the volume of $0.50\ \text{mol}$ of an ideal gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)
You can also use the equation to find a molar mass 摩尔质量. Since $n = m/M$:
$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$
This lets you work out $M_r$ from the mass (or the density) of a gas.
Worked example. A flask holds $0.96\ \text{g}$ of a gas in $600\ \text{cm}^3$ at $100\ \text{kPa}$ and $27\ ^{\circ}\text{C}$. Find the molar mass of the gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)
Hervir convierte el agua líquida en vapor — un cambio entre estados de la materia.
Origen de la presión del gas
Las moléculas de gas se mueven rápidamente en todas las direcciones. Continúan chocando contra las paredes de su contenedor. Cada impacto ejerce una pequeña fuerza sobre la pared. La presión 压强 del gas es el resultado global de estas múltiples colisiones sobre las paredes.
Presión del gas: las moléculas rápidas se mueven en todas las direcciones y colisionan con las paredes; los muchos empujes pequeños se suman para formar la presión
Gases ideales
Un gas ideal 理想气体 es un modelo simple. Asumimos dos cosas:
las propias partículas ocupan volumen cero.
no hay fuerzas intermoleculares 分子间作用力 de atracción entre las partículas.
Un gas real 实际气体 sigue este modelo de cerca a baja presión y alta temperatura. Se comporta menos como un gas ideal a alta presión y baja temperatura, cuando las partículas están apretujadas juntas y las fuerzas entre ellas empiezan a ser significativas.
Un gas ideal es un modelo: partículas puntuales sin fuerzas entre sí. Un gas real se comporta menos como esto a alta presión y baja temperatura, cuando las partículas están apretujadas y su tamaño real y atracciones comienzan a importar
La ecuación del gas ideal
La ecuación del gas ideal 理想气体方程 relaciona la presión, el volumen, la cantidad y la temperatura:
$$pV = nRT$$
donde $p$ es la presión en Pa, $V$ es el volumen en $\text{m}^3$, $n$ es la cantidad en moles, $T$ es la temperatura en kelvin 开尔文 (K), y $R$ es la constante de los gases 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).
Siempre cambia las unidades primero: °C a K (suma 273), y $\text{cm}^3$ o $\text{dm}^3$ a $\text{m}^3$.
Ejemplo resuelto. Encuentra el volumen de $0.50\ \text{mol}$ de un gas ideal a $27\ ^{\circ}\text{C}$ y $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)
También puedes usar la ecuación para encontrar una masa molar 摩尔质量. Dado que $n = m/M$:
$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$
Esto te permite calcular $M_r$ a partir de la masa (o la densidad) de un gas.
Ejemplo resuelto. Un matraz contiene $0.96\ \text{g}$ de un gas en $600\ \text{cm}^3$ a $100\ \text{kPa}$ y $27\ ^{\circ}\text{C}$. Encuentra la masa molar del gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)
describe, in simple terms, the lattice structure of a crystalline solid which is: (a) giant ionic, including sodium chloride and magnesium oxide (b) simple molecular, including iodine, buckminsterfullerene $\text{C}_{60}$ and ice (c) giant molecular, including silicon(IV) oxide, graphite and diamond (d) giant metallic, including copper
describe, interpret and predict the effect of different types of structure and bonding on the physical properties of substances, including melting point, boiling point, electrical conductivity and solubility
deduce the type of structure and bonding present in a substance from given information
Español
describir, en términos sencillos, la estructura reticular de un sólido cristalino que sea: (a) iónico gigante, incluyendo cloruro sódico y óxido de magnesio; (b) molecular simple, incluyendo yodo, buckminsterfullereno $\text{C}_{60}$ y hielo; (c) molecular gigante, incluyendo dióxido de silicio(IV), grafito y diamante; (d) metálico gigante, incluyendo cobre.
describir, interpretar y predecir el efecto de los diferentes tipos de estructura y enlace sobre las propiedades físicas de las sustancias, incluyendo punto de fusión, punto de ebullición, conductividad eléctrica y solubilidad.
deducir el tipo de estructura y enlace presente en una sustancia a partir de información proporcionada.
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios Cambridge International
English
How a substance behaves depends on how its particles are joined. There are four main structures of a crystalline solid 晶体.
Giant ionic
A giant ionic 离子晶体 structure is a huge regular lattice 晶格 of positive and negative ions 离子, held together by strong attraction in every direction. Examples are sodium chloride and magnesium oxide.
Simple molecular
A simple molecular 分子晶体 structure is made of small molecules 分子. The bonds inside each molecule are strong, but the intermolecular forces between the molecules are weak. Examples are iodine ($\text{I}_2$), fullerene 富勒烯 ($\text{C}_{60}$) and ice.
Giant molecular
A giant molecular 原子晶体 structure (also called giant covalent) is a huge network of atoms joined by strong covalent bonds 共价键. Examples are silicon(IV) oxide 二氧化硅, graphite 石墨 and diamond 金刚石.
Giant metallic
A giant metallic 金属晶体 structure is a lattice of positive metal ions in a "sea" of delocalised electrons 离域电子. An example is copper.
Physical properties
The structure decides the physical properties:
Structure
Melting/boiling point
Conducts electricity?
Solubility in water
giant ionic
high
only when molten or dissolved
usually soluble
simple molecular
low
no
usually low
giant molecular
very high
no (except graphite)
insoluble
giant metallic
high
yes (solid and molten)
insoluble
melting point 熔点 and boiling point 沸点 are high when strong forces (ionic, covalent or metallic) must be broken, and low when only weak intermolecular forces break.
electrical conductivity 导电性 needs charged particles that can move — ions that are free (when molten or dissolved) or delocalised electrons. Graphite conducts because some of its electrons are delocalised.
solubility 溶解度 in water is usually high for ionic solids and low for molecular and giant covalent solids.
You can work backwards too: from the melting point, conductivity and solubility of an unknown substance, deduce the type of structure and bonding it has.
Español
El cuarzo es una estructura covalente gigante de silicio y oxígeno.
Cómo se comporta una sustancia depende de cómo están unidos sus partículas. Hay cuatro estructuras principales de un sólido cristalino 晶体.
Las cuatro estructuras de un sólido cristalino — la estructura determina el punto de fusión, la conductividad y la solubilidad
Iónico gigante
Una estructura iónica gigante 离子晶体 es una enorme red regular de iones 离子 positivos y negativos, unidos por una fuerte atracción en todas las direcciones. Ejemplos son el cloruro de sodio y el óxido de magnesio.
Molecular simple
Una estructura molecular simple 分子晶体 está formada por pequeñas moléculas 分子. Los enlaces dentro de cada molécula son fuertes, pero las fuerzas intermoleculares entre las moléculas son débiles. Ejemplos son el yodo ($\text{I}_2$), las fullerenas 富勒eno ($\text{C}_{60}$) y el hielo.
Molecular gigante
Una estructura molecular gigante 原子晶体 (también llamada covalente gigante) es una inmensa red de átomos unidos por fuertes enlaces covalentes 共价键. Ejemplos son el óxido de silicio(IV) 二氧化硅, el grafito 石墨 y el diamante 金刚石.
Dos formas covalentes gigantes del carbono: el diamante es una red rígida tridimensional (muy duro); el grafito tiene capas deslizantes y electrones libres que permiten la conducciónDiamante real en la roca donde creció. Todo ese cristal es una sola molécula gigante — una red única e ininterrumpida de átomos de carbono, cada uno unido a otros cuatro. Romperlo significa romper incontables enlaces covalentes fuertes, por eso el diamante es el material natural más duro
Metálico gigante
Una estructura metálica gigante 金属晶体 es una red de iones metálicos positivos en un "mar" de electrones deslocalizados 离域电子. Un ejemplo es el cobre.
Un pedazo de metal cobre puro. El brillo, y la forma en que los metales conducen y se doblan, provienen todos de esa red gigante de iones de cobre sentados en un mar compartido de electrones deslocalizados
Propiedades físicas
La estructura determina las propiedades físicas:
Estructura
Punto de fusión/ebullición
¿Conduce electricidad?
Solubilidad en agua
iónico gigante
alto
solo cuando está fundido o disuelto
generalmente soluble
molecular simple
bajo
no
generalmente baja
molecular gigante
muy alto
no (excepto grafito)
insoluble
metálico gigante
alto
sí (sólido y fundido)
insoluble
El punto de fusión 熔点 y el punto de ebullición 沸点 son altos cuando deben romperse fuerzas fuertes (iónicas, covalentes o metálicas), y bajos cuando solo se rompen fuerzas intermoleculares débiles.
La conductividad eléctrica 导电性 requiere partículas cargadas que puedan moverse — iones que estén libres (cuando están fundidos o disueltos) o electrones deslocalizados. El grafito conduce porque algunos de sus electrones están deslocalizados.
La solubilidad 溶解度 en agua suele ser alta para sólidos iónicos y baja para sólidos moleculares y covalentes gigantes.
También puedes hacer lo inverso: a partir del punto de fusión, la conductividad y la solubilidad de una sustancia desconocida, deducir el tipo de estructura y enlace que posee.
Explore · Explorar
Laboratorio de estructuras gigantes
Comparar estructuras gigantes por partículas y enlace.
Use SI units in $pV = nRT$: pressure in Pa, volume in $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperature in K ($^\circ\text{C} + 273$).
State the ideal-gas assumptions (negligible molecular volume, no intermolecular forces) and when real gases deviate (high pressure, low temperature).
Link each property to structure: giant ionic (high m.p., conducts molten), giant covalent (very high m.p.), simple molecular (low m.p.), giant metallic (conducts, malleable).
Graphite conducts because each carbon has a delocalised electron; diamond does not — a favourite comparison.
Español
Usa unidades SI en $pV = nRT$: presión en Pa, volumen en $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperatura en K ($^\circ\text{C} + 273$).
Establece las suposiciones del gas ideal (volumen molecular despreciable, sin fuerzas intermoleculares) y cuándo los gases reales se desvían (alta presión, baja temperatura).
Vincula cada propiedad a la estructura: iónico gigante (alto p.f., conduce fundido), covalente gigante (p.f. muy alto), molecular simple (p.f. bajo), metálico gigante (conduce, maleable).
El grafito conduce porque cada carbono tiene un electrón deslocalizado; el diamante no — una comparación favorita.
Interactive lessons on this topic · Lecciones interactivas sobre este tema
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