El Estado Slido

1. Slido Cristalino y Slido Amorfo:Los slidos se clasifican como cristalinos o amorfos. Los slidos cristalinos son slidos verdaderos, las partculas existen en un patrn regular, tridimensional, denominado red cristalina.Los slidos amorfos no tienen una estructura microscpica regular como los slidos cristalinos. En realidad su estructura se parece mucho ms a la de los lquidos que a la de los slidos.El vidrio, el alquitrn, los polmeros de alta masa molecular como el plexigls son ejemplos de slidos amorfos.2. Caractersticas Generales:Los cristales poseen una constitucin vectorial, es decir, sus propiedades son funcin de la direccin. En las sustancias cristalinas no son equivalentes todas las direcciones. La dependencia entre las propiedades de un cristal y la direccin est influenciada por la simetra del mismo, es decir por el nmero de planos o de ejes de simetra que son los que condicionan el crecimiento del cristal.3. Fuerzas de Enlace:Los slidos cristalinos se clasifican en categoras dependientes del tipo de partculas que forman el cristal y los enlaces que interaccionan entre ellas.Las categoras son:a.- Fuerzas Inicas Constituidas por fuerzas electrostticas entre iones de signos opuestos que constituyen las partculas del cristal inico. Desde que estas fuerzas son considerables, los cristales inicos resultan ser bastante duros, quebradizos, malos conductores calorficos y elctricos y de punto de fusin elevados (600 a 3000C).Ejemplo: NaCl. CaBr2, K2SO4, que son sales caractersticas.b.- Fuerzas de Van der Waals Son fuerzas dbiles, por lo cual los cristales son blandos y de bajo punto de fusin. Son caractersticas de sustancias orgnicas que poseen este tipo de fuerza de enlace entre sus molculas neutras que constituyen sus partculas cristalinas.c.- Fuerzas de Enlace Covalente Los slidos covalentes (slidos de red cristalina), el diamante es un ejemplo de los cristales que mantienen unidas sus partculas por enlaces covalentes en tres dimensiones; cada tomo de carbono esta unido a otros cuatro por un modelo tetradrico, que permite reconocer la dependencia con el tetraedro de Vant Hoff para el tomo de carbono.En cambio, el grafito, es menos compacto y blando, exfoliable y de ms facil ataque por los agentes qumicos, debido a que la estructura cristalina tiene una ordenacin de capas bidimensionales de enlaces covalentes entre sus tomos segn distribucin hexagonal parecidos a los anillos del benceno.d. Fuerzas dipolo-dipolo Las fuerzas dipolo-dipolo son atracciones entre dipolos elctricos de molculas polares.e. Fuerza dipolo-dipolo inducido Estas fuerzas se dan entre una molcula polar y otra molcula no polar. La molcula polar induce un dipolo en la no polar.f.- Fuerzas de Dispersin o de London Son atracciones que se dan entre cualquier tipo de molculas debido a los dipolos instantneos que se forman producidos por las fluctuaciones en la densidad elctrica que rodea a los tomos. Las fuerzas de London dependen de la forma de la molcula. Para molculas de formas semejantes, crecen con la masa molecular y con la polarizacin ya que esos factores facilitan la fluctuacin de los electrones.g.- Fuerzas In-dipolo En estas fuerzas un catin atrae la carga parcial negativa de un dipolo elctrico o un anin atrae la carga parcial positiva del dipolo. Esta fuerza es la responsable de la hidratacin de los iones del agua. La hidratacin del catin persiste muchas veces en el slido por ejemplo el Na2CO3.10H2O. Un catin se hidrata mas fuertemente cuanto menor sea su tamao y mayor su carga.h.- Fuerza de Enlace de Hidrgeno Es una interaccin primordialmente de tipo dipolo-dipolo especialmente fuerte, que se da entre un tomo de hidrgeno con carga parcial positiva y un tomo electronegativo (normalmente N, O, F) La presencia del enlace de hidrgeno en el H2O, NH3 y HF, justifica las anormalidades encontradas en sus puntos de fusin, es tambin responsable de la alta capacidad calorfica molar del agua lquida, as como de sus elevados calores de vaporizacin y de fusin.4. Sistemas Cristalinos:Es la unida de volumen ms pequea de un cristal que reproduce por repeticin la red cristalina, se llama celdilla unidad. Se puede demostrar que para que una celdilla unidad por repeticin pueda reproducir la red cristalina, de pertenecer a un de los siete sistemas cristalinos de la tabla que mostramos.Dimensiones de las celdillas unidad para los siete sistemas cristalino

5.- Capacidad Calorfica de los Slidos:Las capacidades calorficas atmicas de los elementos se llaman tambin calores atmicos, las capacidades calorficas moleculares de los compuestos se llaman tambin calores moleculares.Las llamadas calorficas a altas temperaturas se representan por ecuaciones de algunos de los tipos siguientes que fueron dadas por Kellongg:Cp= a + bTCp= a + bT + cTCp= a + bT + cT-26.- Fenmeno de Fusin y Sublimacin:Fenmeno de Fusin.- Se denomina al cambio de estado, de slido a lquido, y va acompaado de un moderado cambio de volumen. As por ejemplo, el hielo y el agua saturada con el aire estan en equilibrio bajo una presin total atmosfrica de 1.00 atm, en la cual la presin parcial del vapor de agua slida es solo de 4.58 torr, a la temperatura de 0.00C que es uno de los dos puntos fijos de la escala centgrada de temperatura.

Fenmeno de Sublimacin.- Los slidos tienen tensiones de vapor caractersticas, que varan con la temperatura como suceda con los lquidos. Aumentando la temperatura, aumenta tambin la tensin de vapor del slido. En el caso del equilibrio de un slido con su vapor saturado, que vara su presin con la temperatura, la curva se llama una curva de sublimacin. El termino sublimacin se usa para indicar la conversin directa slido vapor, sin la intervencin del lquido. La purificacin del yodo, azufre, naftaleno y cido benzoico resultan muy fcil por sublimacin, debido al hecho que las tensiones de vapor de estos slidos tienen valores bastante altos.7.- Macromolculas:En el estudio fisicoqumico de los sistemas qumicos, se toma uno de los dos puntos de vista siguiente: molecular o macroscpico. Sin embargo, una importante clase de sistemas qumicos es intermedias entre ambos extremos.Estos sistemas consisten de molculas que son tan grandes que pueden ser tratadas como molculas gigantes o partculas macroscpicas pequeas. La mayora de estas partculas que son de interes usual, y que se encuentran en en la variacin de dimetro de 10 nanmetros y 1 micrmetro, se halla que son molculas simples, por lo cual es conveniente el termino "macrmolcula".Los sistemas de macromolcula pueden ser clasificados como polmeros sintticos y macromolculas naturales. Las macromolculas sintticas comprenden los polmeros de adicin como el polietileno y los polmeros de condensacin como el nailon.El mayor inters en las macromolculas naturales esta centrada en las protenas y en los cidos nucleicos, pero tambin incluyen a los polisacridos como la celulosa y los polmeros de isopreno como el caucho natural.8.- Osmosis y Dilisis:La presin osmtica, como condicin de equilibrio, ser un concepto frecuentemente utilizado a lo largo de este libro, y es importante hacer notar que el concepto de presin osmtica ha cobrado realidad en el laboratorio y no en la naturaleza, porque los sistemas biolgicos no son de equilibrio y generalmente realizan acciones transitorias en las que se realizan los procesos eficientemente. La descripcin formal de la smosis se referir ms bien a un modelo muy simplificado en el laboratorio y no a una situacin general de la naturaleza. Es decir, los sistemas biolgicos son mucho ms complicados que como se estudian en los cursos ordinarios de biofsica y de bioqumica, lo cual no debe desalentarnos ya que es a travs de modelos como el hombre de ciencia describe a la naturaleza.Mientras que el concepto de presin osmtica se establece en el contexto de la termodinmica clsica de equilibrio, el flujo osmtico es un concepto asimilado en la teora termodinmica de no-equilibrio. Esta ltima teora supone relaciones lineales entre flujos y fuerzas, siempre y cuando los flujos producidos no alejen severamente al sistema de su situacin de equilibrio. La termodinmica de no-equilibrio es actualmente bien conocida, con sus postulados lgicos, autoconsistentes y suficientes para describir completamente la evolucin del sistema a partir de cualquier situacin hasta el estado de equilibrio.Las dos teoras termodinmicas que hemos indicado no son suficientes para establecer la comprensin del mecanismo a travs del cual la smosis ocurre, puesto que, aunque describen relaciones macroscpicas entre las variables de estado y sus efectos espaciales y temporales, no nos dicen como es la mecnica particular que se extralimita cuando se tiene un movimiento osmtico de masa.Desde el punto de vista de la teora cintica de los gases y de la mecnica estadstica, el problema tampoco queda aclarado del todo, aunque de momento puede arrojar alguna luz sobre el particular. Es decir, dar una imagen microscpica a travs de la cual se explique que el mecanismo de la smosis es un problema escasamente resuelto.En el caso de la capilaridad, la causa intrnseca por la que una columna de agua en un capilar de vidrio se eleva sobre la superficie libre de un recipiente con agua, puede obtenerse microscpicamente. La capilaridad se define en trminos de acciones moleculares al indicarse la existencia de una fuerza resultante entre la superficie del agua y la pared del capilar. Esta fuerza ejerce una accin que es opuesta a la direccin de la fuerza de gravedad y la causa que produce esa fuerza en la interfase agua-aire-capilar es la competencia entre las fuerzas de cohesin y de adherencia entre las molculas de agua, del aire y del vidrio.Ahora bien, una interpretacin parecida en trminos de dinmica molecular no ha sido establecida con respecto a la smosis, aunque algo se ha podido decir a este respecto utilizando para ello la mecnica estadstica o la teora cintica de los gases. Con la intencin de observar las dificultades de la comprensin terica de la smosis vamos a discutir, a continuacin, los detalles particulares del fenmeno y su comprobacin macroscpica.Si no se conoce el fenmeno de la smosis y por casualidad se observa este fenmeno en un equipo experimental, lo primero que se advertir es que su presencia contradice el sentido comn porque el flujo osmtico ocurre precisamente en direccin contraria a la que se espera.Cuando tenemos un sistema de vasos comunicantes separados entre s por una barrera porosa, seremos capaces de hacer una prediccin de la direccin del flujo del lquido entre los vasos. As percibimos que, en efecto, el flujo se dirige del recipiente donde la altura del lquido es mayor, al recipiente donde la altura es menor (vase la figura 2).

Figura 2. Un flujo volumtrico y viscoso se observa entre dos vasos comunicantes de un lquido a diferentes alturas que puede pasar un medio poroso.La funcin de los vasos comunicantes es nivelar las diferencias de nivel del lquido entre los dos sistemas en contacto. De igual forma ocurre con la presencia de un flujo calorfico, originado por una diferencia de temperaturas entre dos puntos. En este caso, el flujo de calor ocurre del punto donde la temperatura es mayor a donde la temperatura es menor.Sin embargo, en el sistema mencionado de vasos comunicantes haremos un cambio, en lugar de poner agua pura en el recipiente 2, colocaremos una solucin de agua con azcar, y en vez de ponerlo en contacto con el recipiente 1 empleando un medio poroso, utilizaremos una membrana semipermeable que permita el libre trnsito del agua, pero que impida la difusin del azcar. Entonces ocurre algo sorprendente, la direccin del flujo que tenamos antes (vase la figura 2) se invierte. Ahora el flujo del agua es contrario a la direccin natural que tendra si los recipientes fueran vasos comunicantes (vase la figura 3).

Figura 3. Un flujo volumtrico y viscoso se observa entre dos recipientes con soluciones de diferente concentracin. El flujo de la solucin diluida hacia la solucin concentrada es el flujo osmtico.Un novato que contemple este fenmeno directamente frente al experimento, seguramente se sorprendera maysculamente, porque la columna del lquido de uno de los recipientes se eleva a costa de reducir la altura del vaso contiguo.El fenmeno observado alcanza el estado de equilibrio cuando entre los recipientes se observa una diferencia de niveles que no cambia con el tiempo. Esto es lo inesperado, que el equilibrio mantenga una diferencia de presiones, en lugar de anularla como en el caso observado antes, en los vasos comunicantes. As, la explicacin ms natural que el novato puede dar a dicho flujo osmtico y a la diferencia final de niveles es suponer la presencia de un pistn que presiona la columna de agua pura.Tal explicacin falla porque dicho pistn no existe. As pues, el novato se quebrar la cabeza queriendo dar una explicacin en trminos de "fuerzas" y sus efectos, pero al final de cuentas la causa de tales "fuerzas" no aparecer por ningn lado.Cul es el error de apreciacin que comete el novato que no le permite contemplar una explicacin correcta? La respuesta es que el novato cree que una solucin lquida frente a una membrana semipermeable se comporta como un fluido puro. Por lo anterior, el novato no considera ninguna informacin adicional relacionada con la propiedad de las soluciones y mezclas. El novato tendr que aprender la teora termodinmica de mezclas para entender que toda solucin posee una "energa qumica" (energa libre) la cual es menor en la mezcla que en las correspondientes sustancias puras. As pues, la energa qumica es mayor en el agua pura que en la solucin de agua con azcar; y otra vez se establece el fenmeno cotidiano por el sentido en que el flujo de masa ocurre, es decir, del punto donde existe un potencial mayor a donde hay uno menor.El potencial de que hablamos se refiere a la famosa "energa qumica".1 Esto explica el fenmeno osmtico desde el punto de vista termodinmico. Posiblemente tal aseveracin no satisfaga al lector porque la descripcin de la energa qumica no despierta nuestro sentido de apreciacin y la curiosidad misma queda en el vaco. Hemos de reflexionar en que la explicacin que hemos dado es formal en relacin a la teora termodinmica y que, si no la entendemos en esa forma, estamos perdidos.Sea porque se le llame energa qumica, energa libre, o bien se nos d una descripcin en trminos del concepto de entropa, no nos aclarara el mecanismo del fenmeno osmtico; y la pregunta que inquiet vivamente al novato sobre la causa mecnica de dicho fenmeno queda sin respuesta.As se confirma el hecho ya comentado de que poco ayuda la teora termodinmica para establecer el entendimiento de la smosis; por lo que recurriremos a la teora cintica de los gases y la mecnica estadstica en auxilio de la termodinmica.Algo se ha podido hacer para dilucidar el fenmeno a partir de las propiedades moleculares, aunque en general se trata de un deseo no satisfecho, porque esta explicacin no est elaborada en forma completa y definitiva por los fsicos. Por lo pronto podemos hacer referencia a las dificultades que involucra un estudio de este tipo y dar una idea de lo que la teora cintica de los gases ideales establece para la smosis, como lo haremos a continuacin.Imaginemos un vaso con agua donde se coloca un conjunto de municiones de cobre. Lo que ocurre es que las municiones se depositan en el fondo del vaso y desde luego no producen ningn efecto osmtico. Si dividimos las municiones en fragmentos y los colocamos nuevamente en el agua, otra vez observamos que los fragmentos se depositan lentamente en el fondo del vaso.Ahora tampoco observamos un efecto osmtico. Este se conseguir cuando se logre dividir los pequeos fragmentos metlicos de tal manera que las partculas producidas no se depositen en el fondo, sino que se distribuyan en el volumen del agua formando una suspensin.Ahora bien, las partculas que forman una suspensin son tan grandes, comparadas con los tamaos de las molculas del agua, que un simple filtro (un medio poroso) funciona como una membrana semipermeable, ya que impide el libre paso de estas partculas. En este caso estaramos en posicin de observar el efecto osmtico de una suspensin. Sin embargo, si tuviramos mil millones de partculas de cobre en la suspensin, apenas estaramos considerando una presin osmtica de unas mil millonsimas de la presin atmosfrica. De manera que, para que el efecto tuviera importancia y se observara en un experimento, se tendran que dividir an ms las partculas de cobre.De esta forma llegaramos al nivel de las dimensiones atmicas. Esto es si insistimos en apreciar con nuestros sentidos el efecto osmtico. En este caso ya no estaramos hablando de una suspensin sino de una solucin. En este ejemplo se destaca que 109 partculas no permiten apreciar un resultado de efecto microscpico, sino que para ello requeriremos un nmero de partculas en disolucin del orden de 1023 (nmero de Avogadro).Con esto se destaca el hecho de que el fenmeno osmtico es francamente macroscpico y tambin se ilustra que, partiendo del punto de vista macroscpico, una descripcin del hecho osmtico podr hacerse considerando la superposicin de la dinmica de un nmero muy grande de molculas, en donde se pueden establecer resultados promedios, y esto es en realidad un tratamiento mecnico-estadstico a partir de la dinmica molecular que, como hemos dicho, es un procedimiento que no se ha elaborado en forma completa para explicar el fenmeno osmtico.La dificultad principal de este tratamiento es considerar a la membrana como una pared-frontera y describir su interaccin con las partculas. Hasta ahora, los resultados obtenidos son promedios que implican operaciones matemticas de un enorme grado de dificultad. De manera que la dinmica molecular que origina el flujo osmtico queda oculta, y volvemos a lo mismo: tenemos que considerar dicho fenmeno desde el punto de vista macroscpico.Las informaciones que se han podido obtener sobre el mecanismo de la smosis se han realizado por medio de la teora cintica de los gases. Ahora ilustraremos el tipo de informacin a que da lugar:

Figura 4. El gas ideal A puede pasar a travs de la membrana que separa los recipientes 1 y 2. En equilibrio P 2A = P 1A. La presin total en el recipiente 1 excede a esta presin por P 1B, la presin osmtica. Consideremos un dispositivo como el indicado en la figura 4, donde tenemos dos recipientes separados por una membrana semipermeable. En el recipiente 1 tenemos una mezcla de dos gases ideales que nombramos A y B, y en el recipiente 2 tenemos el gas ideal A puro, permeable a la membrana; mientras que la membrana es impermeable al componente B.Bajo condiciones de equilibrio ocurre que la presin parcial del componente que puede pasar a travs de la membrana es igual en ambos compartimientos, es decir:P2A=P1En este caso, en el recipiente 1 tenemos un exceso de presin causado por el componente B. Este exceso de presin no es observado en el gas del recipiente 2, porque de alguna manera es compensado por la membrana al impedir el libre trnsito del componente B.En efecto, en un balance de presiones es la membrana la que contrarresta los efectos del componente que no puede pasar y as se estima la funcin de la membrana. De manera que si observamos los manmetros del dispositivo experimental, el sistema conserva su equilibrio, acusando una diferencia de presiones. En este caso, ntese cmo la presin osmtica es la presin parcial del componente que no puede pasar a travs de la membrana=P1B

A este efecto, algunos autores suelen llamarlo "efecto de manmetro", porque son stos los que sealan la diferencia de presiones cuando el sistema est en equilibrio. Este hecho tiene una consecuencia importante cuando el sistema est fuera del equilibrio, puesto que la diferencia de presin del componente que puede pasar no ser igual a la diferencia de presin registrada por los manmetros.Si consideramos p Diferencia de presin a ambos lados de la membrana (medida),Entoncesp- Es la cada de presin del componente que puede pasar a travs de la membrana.La correccin a la presin medida (p) por la presin osmtica () es para evitar el exceso de presin del componente que no puede pasar y que los manmetros registran, aunque sin importancia en el flujo a travs de la membrana. El efecto de manmetro nos hace considerar la naturaleza del flujo osmtico, ya que en la explicacin que hemos dado con gases ideales se indica que la presin osmtica aparece como una correccin entre una prediccin terica y su ajuste experimental.Asimismo, observaremos a continuacin que el dispositivo empleado con gases ideales no indica a simple vista la causa del flujo osmtico.Si consideramos que el dispositivo experimental de la figura 4 no se encuentra en equilibrio, es decirP2A P1A

Entonces se obtendr un flujo de la especie A (que puede transitar libremente a travs de la membrana), producido por la diferencia entre las presiones P2A y P1A. Ahora demostraremos que este flujo no es osmtico. La demostracin es muy simple, porque en un gas ideal la presin parcial es proporcional a la concentracin, de manera que el flujo es causado por una diferencia de concentraciones de la especie A a travs de la membrana, y bien se sabe que es un flujo de difusin que se ajusta a la Ley de Fick de la difusin.Por lo que respecta al flujo osmtico es no difusivo y equivalente al causado por una diferencia de presiones. En nuestro caso, en un estado de no equilibrio, adems del flujo difusivo del componente A, observaramos un flujo del mismo componente A causado por =p1B. Para observar de dnde surge este trmino en nuestras ecuaciones, es necesario utilizar el formalismo completo de la teora cintica de Boltzmann, para encontrar que, en efecto, es la presin osmtica de los componentes por lo que no pueden pasar por la membrana, y son los que producen el flujo osmtico.Pero este trmino aparece junto al que origina el flujo viscoso. Es decir, el flujo osmtico puede interpretarse como un flujo viscoso, producido por los movimientos trmicos moleculares cuando son interrumpidos por una pared porosa (membrana).La descripcin matemtica de este hecho fue realizada por L. F. del Castillo, E. A. Mason y H. E. Revercomb en 1979, dndole una expresin formal a la sugerencia que consideraba al flujo osmtico de origen viscoso, descripcin cualitativa dada por varios autores cuando estudiaron la naturaleza hidrodinmica de la smosis. Reanudaremos esta explicacin en el captulo VI.La demostracin clsica de la smosis y de la presin osmtica es sumergir las clulas de sangre rojas en soluciones del osmolarity que vara y mirar qu sucede. El suero de la sangre es isotnico con respecto al citoplasma, y a las clulas rojas en que la solucin asume la forma de un disco bicncavo. Para preparar las imgenes demostradas abajo, las clulas rojas de su autor intrpido fueron suspendidas en tres tipos de soluciones: Isotnico - las clulas fueron diluidas en suero: Observe la forma bicncava hermosa de las clulas como circulan en sangre. Hipotnico - las clulas en suero fueron diluidas en agua: En 200 milliosmols (MOS), las clulas son visiblemente hinchadas y han perdido su forma bicncava, y en MOS 100, la mayora se han hinchado tanto que han roto, dejando qu se llaman los fantasmas de la clula de sangre roja. En una solucin hipotnica, el agua acomete en las clulas. Hipertnico - una solucin concentrada del NaCl fue mezclada con las clulas y suero para aumentar osmolarity: En MOS 400 y especialmente en 500 MOS, el agua ha fluido de las clulas, hacindolas derrumbarse y asumir el aspecto spiky usted ve

9.- Velocidad de Sedimentacin:La sedimentacin gravitacional terminal para esferas con gravedad especfica de 2, se entiende como la velocidad con la cual una partcula se sedimenta a travs de la atmsfera o a travs del agua.Para un grano de arena gruesa, con un dimetro de 1000 en el aire la velocidad de sedimentacin es de 6 m/s. sta es mucho mayor que las velocidades verticales comunes de la atmsfera, de modo que es raro que el viento sople esas partculas hacia arriba una vez que se encuentran en el aire. Por esta razn, aun cuando una fbrica que emitiera hacia el aire grandes cantidades de partculas de tamao de arena, no contribuira mucho a la contaminacin del aire, porque casi todas las partculas llegaran hasta el piso cercana a la industria.La velocidad terminal de sedimentacin de una partcula con un dimetro de 1 es de 6*10-5 m/s. Los movimientos verticales del aire en el exterior normalmente son mayores que este valor, de modo que las partculas de este tamao no sedimentan con rapidez en la atmsfera, como lo hara la arena gruesa, sino en lugar de ello se mueven con el gas y permanecen en suspensin durante largos perodos.De este modo, se establece una distincin entre el polvo, que se asienta con rapidez en la atmsfera debido a su alta velocidad gravitacional de sedimentacin, y las partculas suspendibles, que se sedimentan con tanta lentitud que puede considerarse que permanecen en la atmsfera hasta que son eliminados por precipitacin. No existe una lnea divisoria clara y simple entre las dos categoras, pero si se debe hacer una distincin arbitraria de ese tipo, se hara en alguna parte cerca de un dimetro de partcula de 10. Las partculas bastante pequeas como para permanecer suspendidas en la atmsfera, o en otros gases, durante largos perodos se llaman aerosoles, lo que indican que se comportan como si estuvieran disueltas en el gas.En virtud de que la estrategia bsica de la mayor parte de los dispositivos colectores de partculas es llevar a cada una de ellas a que entren en contacto entre s, de modo que puedan aglutinarse y aumentar su tamao, debe contarse con cierto conocimiento de las fuerzas de retardo que el aire o gas que las rodea ejercen sobre esas partculas cuando se intenta moverlas, con el fin de evaluar esos dispositivos.