Propiedades de Sustancias y Mezclas

Objetivo de aprendizaje 3.1.A: Explicar la relación entre las estructuras químicas de las moléculas y la fuerza relativa de sus fuerzas intermoleculares cuando: i. Las moléculas pertenecen a la misma especie química. ii. Las moléculas pertenecen a dos especies químicas diferentes.

• 3.1.A.1 Las fuerzas de dispersión de London son el resultado de las interacciones coulombianas entre dipolos temporales y fluctuantes. Las fuerzas de dispersión de London suelen ser la fuerza neta intermolecular más fuerte entre moléculas grandes.
  • i. Las fuerzas de dispersión aumentan con el aumento del área de contacto entre las moléculas y con el aumento de la polarizabilidad de las moléculas.
  • ii. La polarizabilidad de una molécula aumenta con un mayor número de electrones en la molécula y con el tamaño de la nube electrónica. Se ve reforzada por la presencia de enlaces pi.
  • iii. El término "fuerzas de dispersión de London" no debe usarse como sinónimo del término "fuerzas de van der Waals".
• 3.1.A.2 El momento dipolar de una molécula polar conduce a interacciones adicionales con otras especies químicas.
  • i. Las interacciones dipolo-inducido-dipolo están presentes entre una molécula polar y una no polar. Estas fuerzas siempre son atractivas. La intensidad de estas fuerzas aumenta con la magnitud del dipolo de la molécula polar y con la polarizabilidad de la molécula no polar.
  • ii. Las interacciones dipolo-dipolo están presentes entre moléculas polares. La intensidad de la interacción depende de las magnitudes de los dipolos y su orientación relativa. Las interacciones entre moléculas polares suelen ser mayores que las entre moléculas no polares de tamaño comparable, ya que estas interacciones actúan además de las fuerzas de dispersión de London.
  • iii. Las fuerzas de atracción ion-dipolo están presentes entre iones y moléculas polares. Estas tienden a ser más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo.
• 3.1.A.3 La fuerza relativa y la dependencia de la orientación de las fuerzas dipolo-dipolo e ion-dipolo se pueden comprender cualitativamente considerando el signo de las cargas parciales responsables del momento dipolar molecular, y cómo estas cargas parciales interactúan con un ion o con un dipolo adyacente.
• 3.1.A.4 El enlace de hidrógeno es un tipo fuerte de interacción intermolecular que existe cuando los átomos de hidrógeno unidos covalentemente a átomos altamente electronegativos (N, O y F) son atraídos hacia el extremo negativo de un dipolo formado por el átomo electronegativo (N, O y F) en otra molécula, o en una parte diferente de la misma molécula.
• 3.1.A.5 En biomoléculas grandes, pueden ocurrir interacciones no covalentes entre diferentes moléculas o entre diferentes regiones de la misma biomolécula grande.

Objetivo de aprendizaje 3.2.A: Explicar la relación entre las propiedades macroscópicas de una sustancia, la estructura a nivel particulado de la sustancia y las interacciones entre estas partículas.

• 3.2.A.1 Muchas propiedades de los líquidos y sólidos están determinadas por la intensidad y el tipo de fuerzas intermoleculares presentes. Dado que las interacciones intermoleculares se superan completamente cuando una sustancia se vaporiza, la presión de vapor y el punto de ebullición están directamente relacionados con la intensidad de esas interacciones. Los puntos de fusión también tienden a correlacionarse con la fuerza de las interacciones, pero como en la fusión las interacciones solo se reordenan, las relaciones pueden ser más sutiles.
• 3.2.A.2 Las representaciones a nivel particulado que muestran múltiples especies químicas interactuantes son un medio útil para comunicar o comprender cómo las interacciones intermoleculares ayudan a establecer las propiedades macroscópicas.
• 3.2.A.3 Debido a las fuertes interacciones entre iones, los sólidos iónicos tienden a tener bajas presiones de vapor, altos puntos de fusión y altos puntos de ebullición. Tienden a ser quebradizos debido a la repulsión de cargas iguales causada cuando una capa se desliza sobre otra capa. Conducen la electricidad solo cuando los iones son móviles, como cuando el sólido iónico se funde (es decir, en estado fundido) o se disuelve en agua u otro solvente.
• 3.2.A.4 En los sólidos covalentes de red, los átomos están unidos covalentemente formando una red tridimensional (p. ej., diamante) o capas de redes bidimensionales (p. ej., grafito). Estos solo se forman a partir de no metales y metaloides: elementos (p. ej., diamante, grafito) o compuestos binarios (p. ej., dióxido de silicio y carburo de silicio). Debido a las fuertes interacciones covalentes, los sólidos covalentes tienen altos puntos de fusión. Los sólidos de red tridimensional también son rígidos y duros, porque los ángulos de enlace covalente son fijos. Sin embargo, el grafito es blando porque las capas adyacentes pueden deslizarse unas sobre otras relativamente fácilmente.
• 3.2.A.5 Los sólidos moleculares están compuestos por unidades distintas e individuales de moléculas unidas covalentemente que se atraen entre sí mediante fuerzas intermoleculares relativamente débiles. Los sólidos moleculares generalmente tienen un bajo punto de fusión debido a las fuerzas intermoleculares relativamente débiles presentes entre las moléculas. No conducen la electricidad porque sus electrones de valencia están fuertemente retenidos dentro de los enlaces covalentes y los pares libres de cada molécula constituyente. Los sólidos moleculares a veces están compuestos por moléculas muy grandes o polímeros.
• 3.2.A.6 Los sólidos metálicos son buenos conductores de electricidad y calor, debido a la presencia de electrones de valencia libres. También tienden a ser maleables y dúctiles, debido a la facilidad con la que los núcleos metálicos pueden reorganizar su estructura. En una aleación intersticial, los átomos intersticiales tienden a hacer que la red sea más rígida, disminuyendo la maleabilidad y la ductilidad. Las aleaciones típicamente retienen un mar de electrones móviles y, por lo tanto, permanecen conductoras.
• 3.2.A.7 En biomoléculas grandes o polímeros, pueden ocurrir interacciones no covalentes entre diferentes moléculas o entre diferentes regiones de la misma biomolécula grande. La funcionalidad y las propiedades de tales moléculas dependen fuertemente de la forma de la molécula, la cual está dictada en gran medida por las interacciones no covalentes.

Objetivo de Aprendizaje 3.3.A: Representar las diferencias entre las fases sólida, líquida y gaseosa mediante un modelo a nivel particulado.

• 3.3.A.1 Los sólidos pueden ser cristalinos, donde las partículas están dispuestas en una estructura tridimensional regular, o pueden ser amorfos, donde las partículas no tienen una disposición regular ni ordenada. En ambos casos, el movimiento de las partículas individuales está limitado y las partículas no experimentan traslación global con respecto a otras. La estructura del sólido se ve influenciada por las interacciones interparticulares y la capacidad de las partículas para empaquetarse juntas.
• 3.3.A.2 Las partículas constituyentes en los líquidos están en contacto cercano entre sí y se mueven y colisionan continuamente. La disposición y el movimiento de las partículas están influenciados por la naturaleza y la intensidad de las fuerzas (p. ej., polaridad, enlaces de hidrógeno y temperatura) entre las partículas.
• 3.3.A.3 Las fases sólida y líquida de una sustancia particular suelen tener volúmenes molares similares porque, en ambas fases, las partículas constituyentes están en contacto cercano en todo momento.
• 3.3.A.4 En la fase gaseosa, las partículas están en movimiento constante. Sus frecuencias de colisión y la separación promedio entre ellas dependen de la temperatura, la presión y el volumen. Debido a este movimiento constante y a los efectos mínimos de las fuerzas entre partículas, un gas no tiene ni un volumen definido ni una forma definida.
  • Afirmación de exclusión: No se evaluará en el Examen AP la comprensión e interpretación de diagramas de fases.

Objetivo de Aprendizaje 3.4.A: Explicar la relación entre las propiedades macroscópicas de una muestra de gas o mezcla de gases utilizando la ley de los gases ideales.

• 3.4.A.1 Las propiedades macroscópicas de los gases ideales están relacionadas a través de la ley de los gases ideales:
  • ECUACIÓN: $PV = nRT$.
• 3.4.A.2 En una muestra que contiene una mezcla de gases ideales, la presión ejercida por cada componente (la presión parcial) es independiente de los otros componentes. Por lo tanto, la presión parcial de un gas dentro de la mezcla es proporcional a su fracción molar ($X$), y la presión total de la muestra es la suma de las presiones parciales.
  • ECUACIÓN: $P_{A} = P_{total} \times X_{A}$, donde $X_{A} =$ moles A/moles totales;
  • ECUACIÓN: $P_{total} = P_{A} + P_{B} + P_{C} + \ldots$
• 3.4.A.3 Las representaciones gráficas de las relaciones entre $P$, $V$, $T$ y $n$ son útiles para describir el comportamiento del gas.

Objetivo de Aprendizaje 3.5.A: Explicar la relación entre el movimiento de las partículas y las propiedades macroscópicas de los gases con: i. La teoría cinético-molecular (KMT, por sus siglas en inglés). ii. Un modelo particulado. iii. Una representación gráfica.

• 3.5.A.1 La teoría cinético-molecular (KMT) relaciona las propiedades macroscópicas de los gases con el movimiento de las partículas que los componen. La distribución de Maxwell-Boltzmann describe la distribución de las energías cinéticas de las partículas a una temperatura dada.
• 3.5.A.2 Todas las partículas de una muestra de materia están en movimiento continuo y aleatorio. La energía cinética promedio de una partícula se relaciona con su velocidad promedio mediante la ecuación:
  • ECUACIÓN: $KE = \frac{1}{2}\,mv^{2}$.
• 3.5.A.3 La temperatura en escala Kelvin de una muestra de materia es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas de dicha muestra.
• 3.5.A.4 La distribución de Maxwell-Boltzmann proporciona una representación gráfica de las energías/velocidades de las partículas a una temperatura determinada.

Objetivo de Aprendizaje 3.6.A: Explicar la relación entre el comportamiento no ideal de los gases, las fuerzas interpartículas y/o los volúmenes.

• 3.6.A.1 La ley de los gases ideales no explica el comportamiento real de los gases reales. Las desviaciones respecto a la ley de los gases ideales pueden deberse a las atracciones interpartículas entre las moléculas de gas, especialmente en condiciones cercanas a aquellas que provocan la condensación. Las desviaciones también pueden surgir debido a los volúmenes de las partículas, especialmente a presiones extremadamente altas.

Objetivo de Aprendizaje 3.7.A: Calcular el número de partículas de soluto, el volumen o la molaridad de las soluciones.

• 3.7.A.1 Las soluciones, también llamadas a veces mezclas homogéneas, pueden ser sólidos, líquidos o gases. En una solución, las propiedades macroscópicas no varían a lo largo de la muestra. En una mezcla heterogénea, las propiedades macroscópicas dependen de la ubicación en la mezcla.
• 3.7.A.2 La composición de una solución puede expresarse de diversas formas; la molaridad es el método más común utilizado en el laboratorio.
  • ECU: $M = n_{solute}/L_{solution}$

Objetivo de Aprendizaje 3.8.A: Uso de modelos particulados para mezclas: i. Representar interacciones entre componentes. ii. Representar concentraciones de componentes.

• 3.8.A.1 Las representaciones particuladas de soluciones comunican la estructura y las propiedades de las mismas, mediante la ilustración de las concentraciones relativas de los componentes en la solución y/o dibujos que muestren las interacciones entre los componentes.
  • Declaración de exclusión: Las propiedades coligativas no serán evaluadas en el Examen AP.
  • Declaración de exclusión: Los cálculos de molalidad, porcentaje en masa y porcentaje en volumen para soluciones no serán evaluados en el Examen AP.

Objetivo de Aprendizaje 3.9.A: Explicar los resultados de un experimento de separación basándose en las interacciones intermoleculares.

• 3.9.A.1 Los componentes de una solución líquida no pueden separarse mediante filtración. Sin embargo, pueden separarse utilizando procesos que aprovechan las diferencias en las interacciones intermoleculares de los componentes.
  • i. La cromatografía (en papel, en capa delgada y en columna) separa especies químicas aprovechando la diferencia en la intensidad de las interacciones intermoleculares entre y dentro de los componentes de la solución (la fase móvil) y con los componentes superficiales de la fase estacionaria. El cromatograma resultante puede utilizarse para inferir las polaridades relativas de los componentes en una mezcla.
  • ii. La destilación separa especies químicas aprovechando la diferencia en la intensidad de las interacciones intermoleculares entre y dentro de los componentes y los efectos que estas interacciones tienen sobre las presiones de vapor de los componentes en la mezcla.

Objetivo de aprendizaje 3.10.A: Explicar la relación entre la solubilidad de compuestos iónicos y moleculares en disolventes acuosos y no acuosos, y las interacciones intermoleculares entre partículas.

• 3.10.A.1 Las sustancias con interacciones intermoleculares similares tienden a ser miscibles o solubles entre sí.

Objetivo de aprendizaje 3.11.A: Explicar la relación entre una región del espectro electromagnético y los tipos de transiciones moleculares o electrónicas asociadas con dicha región.

• 3.11.A.1 Las diferencias en la absorción o emisión de fotones en distintas regiones espectrales se relacionan con los diferentes tipos de movimiento molecular o transición electrónica:
  • i. La radiación microondas está asociada a transiciones en niveles rotacionales moleculares.
  • ii. La radiación infrarroja está asociada a transiciones en niveles vibracionales moleculares.
  • iii. La radiación ultravioleta/visible está asociada a transiciones en niveles de energía electrónicos.

Objetivo de aprendizaje 3.12.A: Explicar las propiedades de un fotón absorbido o emitido en relación con una transición electrónica en un átomo o molécula.

• 3.12.A.1 Cuando un átomo o molécula absorbe (o emite) un fotón, la energía de la especie aumenta (o disminuye) en una cantidad igual a la energía del fotón.

• 3.12.A.2 La longitud de onda de la onda electromagnética está relacionada con su frecuencia y la velocidad de la luz mediante la ecuación:

  • ECUACIÓN: $c = \lambda\nu$.

  La energía de un fotón está relacionada con la frecuencia de la onda electromagnética a través de la ecuación de Planck:

  • ECUACIÓN: $E = h\nu$.

Objetivo de aprendizaje 3.13.A: Explicar la cantidad de luz absorbida por una solución de moléculas o iones en relación con la concentración, la longitud del camino óptico y la absorptividad molar.

• 3.13.A.1 La ley de Beer-Lambert relaciona la absorción de luz por una solución con tres variables según la ecuación:

  • ECU: $A = \varepsilon bc$.

  La absorptividad molar, $\varepsilon$, describe qué tan intensamente una especie química absorbe luz de una longitud de onda específica. La longitud del camino óptico, $b$, y la concentración, $c$, son proporcionales al número de partículas que absorben luz en el trayecto de la luz.

• 3.13.A.2 En la mayoría de los experimentos, la longitud del camino óptico y la longitud de onda de la luz se mantienen constantes. En tales casos, la absorbancia es proporcional únicamente a la concentración de moléculas o iones absorbentes. El espectrofotómetro generalmente se ajusta a la longitud de onda de máxima absorbancia (longitud de onda óptima) para la especie que se está analizando, con el fin de garantizar la máxima sensibilidad de la medición.