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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
INGENIERIA QUIMICA- ALIMENTOS
DISOLUCIONES
EGR. ALFREDO LUIS ROJAS B.
AUX. LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL
Industrialicemos nuestras materias primas, Trabajemos hoy por una Bolivia mejor
Niebla
2
Contenido 1 DISOLUCIONES ___________________________________________________ 3
1.1 Tipo de disoluciones _________________________________________ 4
1.2 El proceso de disolución______________________________________ 5
2 UNIDADES DE CONCENTRACIÓN____________________________________ 6
3 SOLUBILIDAD ___________________________________________________ 10
3.1 Factores que afectan la solubilidad___________________________ 10 3.1.1 Interacción soluto-disolvente ____________________________ 10 3.1.2 Efecto de la presión_____________________________________ 10 3.1.3 Efecto de la temperatura ________________________________ 11
3.2 Solubilidad ilimitada ________________________________________ 13
3.3 Solubilidad limitada _________________________________________ 14
4 PROPIEDADES COLIGATIVAS ______________________________________ 16
4.1 Abatimiento de la presión ___________________________________ 16
4.2 Elevación del punto de ebullición ____________________________ 17
4.3 Abatimiento del punto de congelación________________________ 19
4.4 Presión osmótica ___________________________________________ 19
5 APLICACIONES INDUSTRIALES____________________________________ 21
Sus objetivos al estudiar este capitulo serán ser capaz de:
Definición y estudio de las disoluciones
Mostrar las unidades de concentración en la aplicación física y química
Ver los factores que afectan a la solubilidad
Descripción de las propiedades coligativas
Mostrar la aplicación de las disoluciones en la industria
3
Las mezclas constituyen sistemas formados por dos o más especies que no
reaccionan químicamente entre sí. Estos materiales pueden ser homogéneos,
cuando óptimamente presentan una sola fase, y una distribución regular de
sus propiedades físicas y químicas y heterogéneos cuando presentan dos o más
fases y una distribución irregular de sus propiedades.
La fase de un sistema, es la porción homogénea que se puede separarse
mecánicamente, es decir, mediante el uso de algunos de los procesos que se
mencionan a continuación: tamización, decantación, imantación, filtración,
centrifugación.
Son mezclas homogéneas, agua con azúcar; cloroformo con éter etílico,
alcohol etílico con bencina, etc.
Son mezclas heterogéneas: azufre con agua, almidón con alcohol, kerosén y
agua.
1 DISOLUCIONES
Las disoluciones son materiales homogéneos formados por dos o más especies
químicas que no reaccionan entre sí; cuyos componentes se encuentran en
proporción que varía entre ciertos límites.
Toda disolución está formada por una fase dispersa llamada soluto y un medio
dispersante denominado disolvente. Una disolución puede estar formada por
uno o más soluto y uno o más disolventes. Pero en este tema nos referiremos
a las soluciones binarias, es decir, aquellas que están constituidas solo por un
soluto y un disolvente.
En una solución puede ocurrir cualquiera de los siguientes puntos
Un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red
pertenecientes a la estructura de la fase.
Los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura.
El soluto no modifica la estructura del solvente.
4
1.1 Tipo de disoluciones
Las disoluciones las podemos clasificar según los componentes que las forman,
y el estado en que se encuentran:
Las disoluciones más frecuentes que nos encontramos en la naturaleza son
aquellas que tienen el soluto sólido, y el disolvente líquido; pero también son
importantes aquellas en las que soluto y disolvente son líquidos, y las que el
soluto es gas y el disolvente es líquido.
En las disoluciones líquido-líquido, los dos líquidos han de ser totalmente
miscibles, por ejemplo el agua y alcohol.
Disolvente Soluto Ejemplos
Gas Aire
Líquido Niebla Gas
Sólido Humo
Gas Bebidas carbónicas
Líquido alcohol 96º
Líquido
Sólido
leche y cola cacao
Gas
Metal con burbujas
Líquido Amalgamas (Hg y metal) Sólido
Sólido Aleaciones: Bronce (Cu+Sn), Acero (C+ Fe)
5
Las disoluciones también las podemos clasificar en función de la proporción
relativa de soluto y disolvente así:
Solución Diluida es aquélla en la que la proporción de soluto respecto a la de
disolvente es muy pequeña
Disolución Concentrada es aquélla en la que l a proporción de soluto
respecto al disolvente es alta.
Disolución Saturada es la que no admite más cantidad de soluto sin variar la
de disolvente.
1.2 El proceso de disolución
La facilidad del proceso de disolución depende de dos factores:
El cambio de energía (exotermicidad o endotermicidad).
El cambio de desorden (denominado cambio de entropía).
Las principales interacciones que afectan la disolución d e un soluto en
disolvente son:
atracciones soluto-soluto.
atracciones disolvente-disolvente.
atracciones disolvente-soluto.
Es preciso vencer las atracciones inter-moleculares o Ínter-iónicas entre las
partículas de soluto en el soluto puro (paso a ) para que se disuelva. Esta
parte del proceso requiere consumo de energía. Las separación de las
moléculas de disolvente una de la otra (paso b) para que “haya lugar” para las
partículas de soluto, también consume energía. Sin embargo, cuando las
Solucion Diluida Solucion Concentrada
Soluto
Disolvente
6
partículas de soluto y las moléculas de disolvente interaccionan en la solución
(paso c ), se libera energía. El proceso d e disolución es exotérmica ( se
favorece ) cuando la cantidad de calor que libera del paso c. Es endotérmica (
y no se ve favorecida ) cuando la cantidad de calor que se libera en el paso c.
Sin embargo, muchos sólidos se disuelven en líquidos por procesos
endotérmicos. La razón de que estos procesos se produzcan es que la
endotermicidad es contrarrestada por un mayor incremento en el desorden de
soluto que acompaña al proceso de disolución.
Casi todos los procesos de disolución están acompañados de un incremento de
desorden tanto en el disolvente como en el soluto. Por tanto, este factor de
desorden suele ser favorable a la solubilidad.
2 UNIDADES DE CONCENTRACIÓN
Entre las unidades físicas se maneja porcentaje en peso, porcentaje en
volumen, gramos por unidad de volumen, en términos de densidad y entre las
unidades químicas tenemos las siguientes:
Fracción molar (X)
disolventesoluto
disolventedisolvente
disolventesoluto
solutoSoluto nn
nX
nnn
X+
=+
=
Donde:
Ejemplo Una disolución liquida contiene 11.5 gramos de una proteína, 2.5 gramos de
KCl y 985.8 gramos de agua. El peso molecular promedio de la proteína es de
525000g/mol. Calcule la fracción mol de cada componente de la disolución.
Solución
disolventedemolesnsolutodemolesn
disolvente
soluto
==
7
0000003.010*62.310*19.2766.54
10*19.225
5
=++
= −−
−
PX
0006605.010*62.310*19.2766.54
10*62.325
2
=++
= −−
−
KClX
999339.010*62.310*19.2766.54
7666.54252=
++= −−OHX
Molaridad (M) Es la unidad mas usadas en el laboratorio y se define como:
soluciondelitrosolutomolesM =
Ejemplo Se tiene un 5 litros de β tuyona proveniente del extracto de ajenjo. Tiene
como masa 8 gramos ( Peso molecular 139 g/mol ). Determiné la molaridad de
este extracto activo
Solución
057.0139
8==solutomoles
Lmollitros
molM /0115.05057.0
==
Ejemplo
Se tiene un ácido clorhídrico en el laboratorio con una densidad de 1.18 g/ml
y una pureza de 36.9 % Determine la contracción de este ácido.
ML
mlHClg
HClmolmlsoluciong
solucionggHCl 92.11
11000*
5.361*
118.1*
1009.36
=
766.5418
8.985
10*62.3557.747.2
10*19.2525000
5.11
2
5
==
==
==
−
−
aguademnoles
KCldemoles
proteinademoles
8
Normalidad
soluciondeLitrosolutodelesequivalentdeNumeroN =
Ejemplo Se desea preparar 250ml de una solución 5 N de H2SO4 a partir de una
solución de densidad 1,01 g/ml y 85 % de pureza ( no es un ácido pro-
análisis). Determine la cantidad de ácido necesario.
Solución
Determinaremos la concentración del ácido expresando en normalidad se
tiene
NL
mlSOHmol
SOHesequivalentSOHgSOHmol
mlsoluciong
soluciongSOHg 52.17
11000*
12*
981*
101.1*
10085
42
42
42
4242 =
Aplicando la siguiente relación
C1 = 17.52 N
V1=?
C2 = 5 N
V2 = 250 ml
Ejemplo
Para determinar la concentración de ácido acético en un vinagre, se obtienen
150 cm3 del mismo, se añaden unas gotas de indicador de fenolftaleina y se
titula esta solución con soda cáustica 1 N. El cambio de color se produce
después de usar 75 cm3 de la solución cáustica. ¿Cuál es la concentración del
ácido acético expresado en normalidad?
Solución
C1V1=C2V2
mlN
mlNV 34.7152.17250*5
1 ==
acidoPMaceticoacidodemolgaceticoacidogsosademolgramosaceticoacidodemolgramos
vinagreelenaceticoacidodeGramosOHCOONaCHCOOHCHNaOH
*
233
==
+→+
9
Gramos mol de sosa utilizada
gmol sosa = 1 (gmol/L)*(0.75L) = 0.075 g/mol
Molalidad ( m )
disolventederamosKidenumerosolutodemolesdenumeromolalidad
log=
Ejemplo ¿Cuál es la molalidad de una solución que contiene 128 gramos de CH3OH en
108 gramos de agua?
Solución
Ejemplo ¿Cuántos gramos de H2O deben usarse para disolver 50 gramos de sacarosa si
se desea preparar una solución de sacarosa C12H22O11 1.25 m?
Solución
OHgOHKgm
OHCmolessolucionlademolalidad
OHCmolesdenumeroOHramosKidenumero
obtieneseoreordenandOHKgdenumero
OHCmolesdenumerosolucionlademolalidad
OHCmolesOHCgOHCmolOHCgOHCmoles
22112212
1122122
2
112212
112212112212
112212112212112212
117117.025.1
146.0
log
;
146.03421*50?
===
=
=
==
Resumen de las unidades de concentración
NNormalidad 5.0150
1000*075.0==
KgmolOHCHgOHCHmol
OHKgOHCHg
OHKgOHCHmoles /37
321*
108.0128?
3
3
2
3
2
3 ==
10
3 SOLUBILIDAD Es la cantidad máxima de una sustancia que se disuelve en un acierta cantidad
de solvente.
3.1 Factores que afectan la solubilidad
3.1.1 Interacción soluto-disolvente
La solubilidad se incrementa al aumentar el peso molecular. Cuando se
efectúa alguna reacción química entre el gas y el disolvente se observa
solubilidad mucho mayor
Los líquidos polares tienden a disolverse fácilmente en los disolventes
polares ejemplo la cetona se disuelve en agua.
Los pares de líquido que se mezclan en todas las proporciones se dice
que son miscible, los que no se mezclan son inmiscibles. ( miscible el
etanol y agua ; inmiscible aceite y agua)
Las sustancias con fuerzas de atracción similares tiende a ser solubles
unas de las otras.
Lo semejante disuelve a los semejante así las sustancias polares son
solubles en disolventes polares.
3.1.2 Efecto de la presión
Sistema
Notación
Base
Aplicación
Tanto por ciento
%
Partes por 100 (p/p,p/V, V/P,V/V)
General
Molaridad
M
Moles de soluto por litro de solución
Química
Formalidad F Peso formula de soluto por litro de solución
Química
Normalidad N Equivalente de soluto por litro de solución
Química
Molalidad M Moles de soluto por 1000 g de disolvente
Física
Fracción Molar
X
Moles de componente por total de moles
Química y Física
11
La solubilidad de un gas en cualquier disolvente aumenta a medida que se
incrementa la presión del gas sobre el disolvente.
La solubilidad de los sólidos y los líquidos no se ven afectados notablemente
con la presión.
La ley de Herry se aplica a gases que no reaccionan con el disolvente en el
cual s encuentran (o en algunos casos gases que reaccionan en forma
incompleta). Suele iniciarse como sigue: la presión de un gas por encima de la
superficie de las soluciones es proporcional a la concentración del gas en la
solución.
La ley de Henry se representa simbólicamente así
kCgasPgas =
en donde Pgas es la presión de gas por encima de la solución y k es una
constante para un gas y un disolvente determinado a una temperatura dada.
Cgas representa la concentración de gas disuelto.
3.1.3 Efecto de la temperatura Generalmente un aumento de temperatura facilita el proceso de disolución de
un soluto. Lo que se explica por los siguientes hechos:
a) El calor suministrado al sistema aumenta la velocidad de difusión de las
partículas del soluto en el seno del solvente.
Aumento de presión
La solubilidad de un gas que no reacciona totalmente con el disolvente, se eleva al aumentar la presión del gas por encima de la solución
12
b) El calor suministrado es absorbido por las moléculas del soluto,
debilitándose las fuerzas intermoleculares y facilitándose el proceso de
solvatación.
Si embargo, existen casos en donde un aumento de temperatura disminuye la
solubilidad, como el caso del Ce2(SO4)3 el cual su solubilidad en agua a O ºC
es de 39,5 % mientras que a 100 C es de 2,5 %.
Existe otro caso como el del NaCl el cual una variación de temperatura no
altera, apreciablemente la solubilidad. Otro caso muy particular es el Na2S04
el cual al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad hasta alcanzar un
máximo, a partir de allí un incremento de temperatura, disminuye la
solubilidad. Este comportamiento se debe a que a cierta temperatura los
cristales de la sal se hidratan provocando un descenso en la solubilidad.
La influencia de la temperatura en la solubilidad de las sustancias, para
algunas sustancias se han recogidos datos experimentales que han permitido
construir la gráfica de solubilidad en función de la temperatura.
En la gráfica se encuentra la relación soluto - solvente para una disolución
saturada a la temperatura en consideración.
Ej. la sustancia D, forma una disolución saturada a 20 ºC cuando 25g de ella
están disueltos en 100g del solvente.
13
CURVA DE SOLUBILIDAD
100
A C
90
80
70
E
B
60
50
D
40
F
30
20
10
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TEMPERATURA (ºC)
En los gases se puede decir que la solubilidad se ve favorecida cuando al
temperatura disminuye.
3.2 Solubilidad ilimitada
Suponga que se inicia con un vaso de agua y uno de alcohol. El agua es una
fase y el alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se
producirá una fase. El vaso contendrá una solución de agua y alcohol, con
estructura, propiedades y composición únicas. El agua y el alcohol son
solubles entre sí. Además, tienen una solubilidad ilimitada:
independientemente de la relación de agua y alcohol, al mezclarlos sólo se
produce una fase.
De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de
níquel líquido, sólo se obtendrá una sola fase líquida. La aleación de líquido
Solubilidad en gramos
14
tendrá la misma composición, propiedades y estructura en todas partes
(Figura), porque el níquel y el cobre tienen solubilidad líquida ilimitada.
Si la aleación líquida cobre-níquel se solidifica y se enfría a temperatura
ambiente, sólo se produce una fase sólida. Después de la solidificación, los
átomos de cobre y de níquel no se separan, sino que, en vez de ello, se
localizan de manera aleatoria en los puntos de la red CCaC. En el interior de
la fase sólida, la estructura, propiedades y composición son uniformes y no
existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel. Por tanto, el
cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es
una solución sólida.
Una solución sólida no es una mezcla. Las mezclas contienen más de un tipo
de fase y sus componentes conservan sus propiedades individuales. Los
componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro y no retienen
sus características propias.
3.3 Solubilidad limitada
Cuando se agrega una pequeña cantidad de Azúcar (primera fase) a un vaso
con agua (una segunda fase) y se revuelve, el Azúcar se disuelve totalmente
en el agua. Se obtendrá sólo una fase: agua azucarada. Sin embargo, si al
agua se le agrega demasiada Azúcar, el exceso se hundirá en el fondo del
vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con azúcar, más la sólida
excedente: el Azúcar tiene solubilidad limitada en el agua.
15
Figura: Muestra la limitación que tiene disolver azúcar en agua.
En la figura a continuación, se muestra como disminuye la temperatura de
solidificación del agua, al aumentar la cantidad de sal hasta un 23,3%, Esto se
usa para evitar el hielo en los pavimentos. Se puede apreciar que la zona del
gráfico sobre 0 ºC es similar al gráfico de agua y azúcar.
Figura: Muestra diagrame de fase de la solución agua y sal
16
4 PROPIEDADES COLIGATIVAS Cuando se disuelven un soluto en solvente líquido las propiedades de la
solución que se forma son diferentes a las propiedades del solvente.
Las propiedades físicas de las soluciones que dependen del número, pero no
del tipo de partículas de soluto en una cantidad dada de disolvente se
denomina propiedades coligativas. Las cuales son:
Abatimiento a la presión
Elevación del punto de ebullición
Abatimiento del punto de fusión
Presión osmótica
4.1 Abatimiento de la presión
La presión de vapor de las soluciones, cuando se disuelve un soluto no volátil
y no electrolito en un solvente líquido la presión de vapor del disolvente en la
disolución disminuye.
Este abatimiento es una propiedad coligativa que esta en función del número,
y no del tipo de partículas de soluto en la solución. Se insiste que en las
soluciones de gases o líquidos de bajo punto de ebullición (volátiles) tienen
presiones de vapor mas alta que el disolvente puro; por tanto este análisis no
es aplicable a ellas.
Agua Solución de azúcar
Esta presión es menor sobre la solución de azúcar y agua, porque hay
menos moléculas de agua por unidad de área de superficie al evaporarse.
17
La presión de vapor sobre el disolvente en una solución ideal disminuye al
reducir la fracción molar. o
disolventedisolventedisolvente PXP *=
donde Xdisolvente representa la fracción molar del disolvente en la disolución
Po es la presión de vapor de disolvente puro.
Ejemplo
Se tiene azúcar invertida en polvo, un soluto no volátil el cual se disuelve con
117 gramos de agua. Determine el abatimiento de la presión de vapor a 25 ºC
de una solución de azúcar 1.25 m , la presión de vapor del agua pura a 25 ºC
es d e 23.8 torr.
Solución
OHmolesOHgOHmol
OHgdisolventedeMoles
solutodemolesOHdeKg
solutomolesOHg
OHKgOHgsolutodeMoles
22
22
22
22
50.6181
*117
146.025.1*10001*117
==
==
0220.050.6146.0
146.0=
+=solutoX
220.01
==+
disolvente
disolventesoluto
XXX
torrtorrPdisolvente 524.08.23*220.0 ==
4.2 Elevación del punto de ebullición Según la ley de Raoult, la elevación del punto de ebullición de un disolvente
ocasionada por la presencia de un soluto no volátil y no ionizado es
proporcional al número de moles de soluto disueltas en una masa determinada
de disolvente.
mKT bb =∆
Donde ∆Tb representa la elevación del punto de ebullición del disolvente; la m
es la molalidad del soluto y Kb es la constante de proporcionalidad que se
llama constante molal de elevación del punto de ebullición.
18
Disolvente Punto de Ebullición
Kb ( ºC/m)
Punto de Fusión
Kf (ºC/m)
Agua 100 0.512 0 1.86
Benceno 80.1 2.53 5.48 5.12
Ácido acético 118.1 3.07 16.6 3.90
Nitrobenceno 210.88 5.24 5.7 7.00
Fenol 1.82 3.56 43 7.40
Ejemplo Se tiene un extracto acuoso medicinal de 1.25 m . ¿Determine el punto de
ebullición normal ?
Solución
Tomaremos como disolvente al agua por ser acuoso Kb = 0.512 ºC/m así:
Cmolalmolal
CTb º640.025.1*º512.0 ==∆
El punto de ebullición normal del agua pura exactamente de 100 ºC, de
manera que a un atmósfera de esta solución alcanza la ebullición 100 ºC +
0.640 ºC = 100.640 ºC
H2O pura 1 mol de Glucosa en 1 Kg de H2O
19
4.3 Abatimiento del punto de congelación Las moléculas de la mayoría de los líquidos se acercan mas entre si cuando la
temperatura desciende.
Las moléculas en una solución están ligeramente mas separadas entre si, que
en un disolvente puro. En consecuencia la temperatura de la solución debe
abatirse por debajo del punto del punto de congelación del disolvente puro
para congelar.
mKT cc *=∆
Ejemplo Que cantidad de NaCl se debe de añadir a 500 ml de agua , para que la
temperatura descienda a 15 ºC.
Solución
El Kc para el agua es de 1.86 ºC
aguadeKgNaClmolesKT
mc
c /06.886.1
15==
∆=
Asumiendo que la densidad del agua es de 1 g/ml entonces la masa de agua
será de 500 gramos.
NaCLgNaClmolNaClg
OHKgNaClmoles
OHgOHKgOHg 75.235
15.58*06.8*
10001*500
22
22 =
4.4 Presión osmótica La osmosis es el proceso espontáneo por el cual las moléculas de disolvente
atraviesan una membrana semipermeable de una solución de menor
concentración de soluto hacia una solución con mayor concentración de
soluto.
20
La presión osmótica de una solución es la presión que debe aplicarse a una
solución para impedir la osmosis y evitar el flujo del disolvente a trabes de la
membrana semipermeable hacia la solución.
MolaridadenionConcentracVnC
KmolLatmRsoluciondevolumenV
molesdenumeronosmoticapresionlaes
Donde
RTVn
==
====
=
º/*082,0
:π
π
CRT=π Ejemplo Cual es la presión osmótica de una solución de sacarosa que tiene como
densidad 1.34 g/ml a la temperatura de 25 ºC. Esta disuelta con 54 gramos de
sacarosa en 560 gramos de agua.
Solución
Determinando el volumen de solución
solucionL
mlL
soluciongsolucionmlsoluciong
gdisolventesolutoSolucion
458.01000
1*34.1
1*614
61456054
=
=+=+=
moles de soluto
Solución Solvente puro
Solvente puro
Solución
Presión osmótica
Membrana semipermeable
21
sacarosamolsacarosagsacarosamolsacarosag 157.0
3421*54 =
La molaridad será:
LmolesM /34459.0458.0157.0
==
atmKKmolLatm
Lmol 42.8º)27325(*
º*082.0*34459.0 =+=π
5 APLICACIONES INDUSTRIALES
Disoluciones
Dentro de la industria para el control de calidad se muestra la necesidad de
preparar distintas soluciones, así en la fabrica TAQUIÑA para determinar la
dureza del agua necesitan prepara solución de EDTA como método titilación
complexometrico.
En la industria de lácteos como muestra PIL se puede ver para el análisis de
acidez se estandariza soluciones de 0,1 N de HCl y 0.1 N de NaOH.
Solubilidad
Cuando queremos carbonatar un liquido (refresco, cerveza, vinos, etc.)
siempre debemos de enfriar debido a que la solubilidad aumenta en los gases.
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