Clase 4 Química

MATERIAL PARA PREPARAR MEZCLAS

Probeta: sirve para medir y contener líquidos o mezclas homogéneas, es preciso.

Vaso de precipitados: sirve para contener y preparar soluciones de concentración no exacta y precisa.

Balón de fondo redondo: sirve para contener y calentar soluciones o líquidos.

Matraz Erlenmeyer: sirve para contener y preparar disoluciones y mezclas. También se puede calentar.

Bureta: sirve para medir precisamente el volumen de un líquido o solución, tiene una llave para regular el paso del líquido.

Matraz de aforo: sirve para preparar soluciones de concentración exacta.

Embudo de decantación: sirve para separar mezclas heterogéneas líquidas, por decantación.

TIPOS DE MEZCLASD i s p e r s i o n e s

Sistemas donde una sustancia está diseminada en otra. La primera se llama fase dispersa y la segunda dispersante.

Se clasifican a partir de su tamaño promedio de partículas dispersas:

Suspensiones: mezclas formadas por partículas no solubles que se dispersan en un medio gaseoso o líquido (fase dispersante). Aquí las partículas dispersas pueden verse a simple vista. El tamaño del soluto mayor a 100 nm.

Coloides: son mezclas opacas. Las partículas no se pueden ver directamente, pero sí se aprecian sus efectos sobre la luz. Por ejemplo, niebla, pinturas, etc.

Soluciones: conocidas como mezclas homogéneas de dos sustancias, de aquí en adelante la fase dispersa se llama soluto y el dispersante se llamará solvente. El tamaño del soluto menor a 1 nm.

1 nm = 10-9m

TÉCNICA DE SEPARACIÓN DE ALGUNAS MEZCLAS

MEZCLAS HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA

Sólido - Sólido Recristalización Tamizado

Sólido - Líquido Evaporación Filtración / Centrifugación

Líquido - Líquido Destilación Decantación

SEPARACIÓN DE MEZCLAS HOMOGÉNEAS

D e s t i l a c i ó n

Deja separar mezclas homogéneas de líquidos o gases. Se sustenta en los puntos de ebullición que tienen los componentes de la mezcla. El componente más ligero bulle primero y se condensa en el tubo que lleva agua fría, el condensador. Cuando condensa el vapor se coge en un matraz y se desprende de la mezcla.

C r o m a t o g r a f í a

Permite separar mezclas complejas formadas por mas de un soluto. Se sustenta en las distintas velocidades con que se desplaza cada soluto a trave s de un medio polar (fase estacionaria), arrastradas por un disolvente en movimiento (fase movil). Si el soluto y la fase movil tienen polaridades parecidas, mas facil sera la separacion.

A veces ocurre que la separación de 2 li quidos por destilacion no es tan efectiva ya que sus puntos de ebullicion son muy proximos entre si .

E v a p o r a c i ó n

Permite separar un soluto solido de un solvente li quido. El objetivo es evaporar el solvente de tal forma así separarlo del soluto sin que e ste se funda o descomponga.

R e c r i s t a l i z a c i ó n

Permite separar mezclas homoge neas de solidos. Se sustenta en las distintas polaridades que tienen. Primero se disuelven en un solvente acertado, que por el hecho de tener una polaridad mas similar a uno de los solidos, lo disuelve en más cantidad. Luego la solucion heteroge nea que se forma se enfri a de a poco permitiendo que se generen cristales (puros) de uno de los solidos, que son separados de la fase li quida (filtracion).

SEPARACIÓN DE MEZCLAS HETEROGÉNEAST a m i z a d o

Permite separar una mezcla de solidos de distinto tamano (te cnica gravime trica). Se tamiza (colar) la mezcla usando diferentes tamices que se disponen en orden descendente, a partir del tamano de su malla. La agitacion de coladores permite la separacion.

D e c a n t a c i ó n

Permite separar una mezcla heteroge nea de 2 o mas li quidos inmiscibles. Se pone la mezcla en un embudo de vidrio con llave, se agita y luego se deja quieta en un soporte para permitir que se formen las fases, la separacion ocurre cuando se abre la llave para dejar el contenido en un vaso de precipitado. Por ejemplo, aceite y agua.

C e n t r i f u g a c i ó n

Permite separar una mezcla heteroge nea (suspension). La fuerza centri fuga deja decantar el soluto suspendido, dejandolo en la parte baja del tubo y sobre él, el li quido.

F i l t r a c i ó n

Permite separar un soluto solido de un solvente li quido en una mezcla heteroge nea. Un medio que filtre, permite separar los componentes, deja pasar el mas pequeno en tamano y retiene el mas grande. Por ejemplo, agua y arena.

TIPOS DE SOLUCIONESSe pueden clasificar a partir de 3 criterios:

Proporción soluto/solvente- Diluida- Concentrada

Tipo de soluto- Iónica- Molecular

Solubilidad- Insaturada- Saturada- Sobresaturada

P r o p o r c i ó n s o l u t o / s o l v e n t eDiluida: Soluto se encuentra en baja proporcion (masa) respecto alsolvente.

Concentrada: Soluto se encuentra en proporcion parecida (masa) a la del solvente.

Solucion ionica: Conformada por un soluto que se disocia produciendo soluciones conductoras de la corriente ele ctrica.

T i p o d e s o l u t oSe pueden clasificar como ionicos, si se disocian formando electrolitos, o moleculares si no se disocian.

Solucion molecular: Conformada por solutos que no se disocian (no electrolitos).

ELECTROLITOSCompuestos que al disolverse en agua generan iones, permiten que exista conduccion de la corriente ele ctrica a trave s de una disolucion. Hay 2 tipos generales de electrolitos:

De biles: disociacion menor a 100%, poco solubles y baja conducción ele ctrica.

Fuerte: disociacion 100%, muy solubles y gran conducción ele ctrica.

No disocian y por ello no dejan iones en solucion. Estos compuestos reaccionan con el agua mediante enlaces puente de hidrogeno.

NO ELECTROLITOS

POLARIDAD EN SUSTANCIAS

Las sustancias polares sólo son solubles en sustancias polares. No es posible disolver un soluto polar en un solvente apolar y viceversa.

IMPORTANTE: La gran mayori a de sustancias ionicas se disuelven en sustancias polares, aun cuando sean aparentemente apolares.

S o l u b i l i d a d

Maxima cantidad de sustancia que puede ser disuelta a una temperatura dada en una cierta cantidad de disolvente, con el objetivo de formar una solucion estable. La solubilidad se puede expresar en g/L o concentracion molar.

Saturada: se ha disuelto el maximo de soluto en un volumen de disolvente (disolucion saturada). Al adicionar mayor cantidad de soluto a una disolucion saturada este no se disuelve mas y precipita.

Insaturada: Se da si la masa de soluto disuelto es menor que la correspondiente a la de saturacion.

Sobresaturada: La masa de soluto disuelto temporalmente puede ser mayor que la correspondiente a la de saturacion. En este caso, la solucion homoge nea se encuentra temporalmente sobresaturada.

IMPORTANTELas disoluciones concentradas se evidencian solo cuando se establecen comparaciones con otras, es por esto que no existe un parámetro fijo para diferenciarlas de otra diluida.

Las disoluciones concentradas y diluidas pueden encontrarse insaturadas, saturadas o sobresaturadas. Es importante entender que concentración es un parámetro diferente a solubilidad.

Se cumple en las soluciones diluidas que la proporción soluto/ solvente tiene un valor bajo. Esto no implica necesariamente una baja cantidad de soluto.

Las disoluciones saturadas, a diferencia de las disoluciones concentradas pueden determinarse considerando la temperatura a la que se encuentren y el límite de disolución del soluto.

Los compuestos iónicos, además de disolverse en solventes polares experimentan disociación y las mezclas pueden conducir la corriente eléctrica.

Generalmente muchos compuestos covalentes son insolubles en solventes polares y solubles en solventes apolares. De esta forma no se pueden formar mezclas homogéneas usando como solvente agua.

FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD

Altera la solubilidad solo cuando el soluto es gaseoso. La solubilidad de un gas en un li quido es directamente proporcional a la presion aplicada por el gas sobre el li quido. Al aumentar la presion de un gas en un disolvente li quido, las moleculas de gas se acercan y el numero de colisiones por segundo que experimenta la moleculas de gas con la superficie del li quido aumenta. Al ocurrir esto, la velocidad con que las moleculas de soluto ingresan en la solucion tambien se vuelve mayor, sin que aumente la velocidad con que las moleculas de gas se escapan. Esto provoca un aumento en la solubilidad del soluto gaseoso en el solvente.

La solubilidad de un compuesto en un determinado solvente puede transformarse al cambiar la presion y/o la temperatura. Es importante aclarar que dependiendo del estado de agregacion de los componentes de la mezcla estas variables podra n afectar en mayor o menor medida el valor de la solubilidad. La solubilidad se ve afectada por:

N a t u r a l e z a d e l o s c o m p o n e n t e s (características de soluto y solvente)La solubilidad de un compuesto en un solvente depende (bastante) del nivel de interaccion que pueden haber entre ellos, por esto la naturaleza del soluto y del solvente establecen el grado de solubilidad que se alcanzara y si uno de ellos cambia, la solubilidad tambien cambiará.

P r e s i ó n (solo afecta a solutos gaseosos)

GAS: La solubilidad de un gas en un li quido disminuye con el aumento de temperatura.

Las curvas de solubilidad son utiles para determinar cual es la sustancia mas soluble a una determinada temperatura. Los gases en un gráfico, disminuyen su solubilidad (en igual cantidad de solvente), a medida que aumenta la temperatura.

SÓLIDO: Si el soluto es un solido ionico y el solvente un li quido, si aumenta la temperatura, aumenta la solubilidad. Generalmente, la solubilidad aumenta con la temperatura y en algunas sustancias disminuye. Existen sustancias que con el aumento de la temperatura disminuyen su solubilidad. Se puede concluir que: La solubilidad aumenta con la temperatura.

T e m p e r a t u r a (cambia la energía cinética del solvente)

CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONESLas propiedades fi sicas de las soluciones estan definidas por las proporciones relativas de los componentes que la conforman. Las concentraciones de las soluciones se expresan en unidades fÍsicas y quÍmicas.

C o n c e n t r a c i ó n e n u n i d a d e s F í s i c a s (se expresa el soluto en gramos o mililitros)

Porcentaje masa – masa (% m/m) Gramos de soluto que esta n contenidos en 100 gramos de solucion.

% m/m = gramos de soluto

gramos de solucion× 100

Porcentaje masa – volumen (% m/v)

Gramos de soluto que esta n contenidos en 100 mililitros de solucion. % m/v = gramos de soluto

mililitros de solucion× 100

La relación entre % m/m y % m/v:

% m/v = d ! % m/m

Densidad de la solución (d): Es el cuociente entre la masa de la solución y su propio volumen.

d = mv

Puede ser expresada en g/L, g/cm3 o en g/ml

Porcentaje volumen – volumen (% v/v)

Mililitros de soluto que estan contenidos en 100 mililitros de solucion.

% v/v = mL de solutomL de solucion

× 100

C o n c e n t r a c i ó n e n u n i d a d e s Q u í m i c a s (expresa el soluto en moles)

Primero recordemos:

n = m__M

n = número de moles de soluto en la solución.m = masa de soluto.M = masa molar del soluto.

Molaridad (M)

Número de moles de soluto dentro de 1 litro de solución

M = nV

M = Molaridadn = mol de solutoV = volumen de la solución en litros

De otra forma:

M = mM ! V El nº total de soluto en mol, en una solución:

Molaridad ! volumen de solución en litrosmol = Mol/ litro ! litros = mol

n = M " V en que: n = mol de solutoM = Molaridad V = volumen de la solución (litros)

molalidad (m)

Número de moles de soluto contenidos en un kg de solvente. DATO: Si no se menciona algún solvente se asume una solución acuosam = soluto (mol)

solvente (kg)

Fracción Molar (X)

Número de moles de un componente de una solución psrtido por el número total de moles. Utilizada en soluciones de gases.

Para una solución que contiene 1 soluto:

Fracción molar del soluto

Fracción molar del solvente

X1 = n1nt= n1

n1 + n2

X2 = n2nt= n2

n1 + n2

DATO: La fracción molar es un número comprendido entre 0 y 1.

La suma de las fracciones molares del soluto y del solvente es igual a 1.

X1 + X2 = n1nt+ n2

nt= nt

nt= 1

Relaciones entre las unidades de concentración

a) % m/v y Molaridad

b) % m/m y Molaridad

c) % m/V y molalidad

d) % m/m y molalidad

M = % m/vmasa molar × 10

M = % m/m__M

× d × 10

m = % m/v x 1000(100 x d - % m/v) x M

m = % m/m x 1000(100 - % m/m) x M

DILUCIÓN DE SOLUCIONESCuando se diluye, se le agrega solvente a una solucion normalmente concentrada. En el proceso no cambia la cantidad de soluto (en mol), pero sí cambia la del solvente.

El volumen de la solucion concentrada es V1, su molaridad es M1 y los moles de soluto que tiene son: n1 = M1 x V1

Cuando se agrega solvente, el nuevo volumen es V2, la concentración es M2 y los moles de soluto que tiene son: n2 = M2 x V2

Al tener ambas la misma cantidad de soluto en mol, se cumple que n1 = n2, por ello quedaría: M1 x V1= M2 x V2

Al final se cumpliría que:- La concentración inicial disminuye- El volumen final es mayor- Son los mismos moles de soluto

Cuando se mezclan dos soluciones con el mismo soluto ocurre que, primero, el número total de moles en la mezcla corresponde a la suma de las dos soluciones, segundo, los volumenes de la solución se asumen aditivos (soluciones diluidad) y tercero, la concentración final de la mezcla se saca sumando la contribución de masas y moles de las dos soluciones, y el volumen final de la mezcla, esto último viene dado por:

Mfinal = (M1 x V1) + (M2 x V2)(V1 + V2)

MEZCLA DE DISOLUCIONES

POPIEDADES COLIGATIVAS DE LA MATERIAEl agua congela a 0ºC y hierve a 100ºC a presion normal, sin embargo, al disolver un poco de sal en agua, congelara por debajo de 0ºC y hervira a más de 100ºC a la misma presion. Lo que sucede con el agua, aplica tambie n para otros solventes. El efecto de la sal de igual forma lo realizan otros solutos, si es que son no-vola tiles. Las intensidades de estos fenomenos dependen solo del nu mero de mole culas o iones que existen en la solucion, sin importar la naturaleza de e sta. De este modo, si x mole culas de azu car disueltas en 1 litro de agua, generan un aumento de la temperatura de ebullicion del agua, de 100ºC a 101ºC, podemos comprobar que otras x mole culas o iones de cualquier sustancia provocara n el mismo efecto. Generalmente se dice que estas propiedades de una disolucion dependen de la “coleccion” de particulas, esto es, del nu mero de estas en el solvente correspondiente. Son 4 las propiedades que cambian en un solvente que se le añadió un soluto no volátil:

1. Disminución de la presión de vapor de un líquido.2. Aumento de la Tº de ebullición.3. Disminución en la Tº de congelación.4. Aumento de la presión osmótica.

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO

Si se tiene un li quido en un recipiente abierto, el líquido se evapora continuamente. En un li quido, todas las mole culas presentan gran velocidad, sin embargo, algunas tienen un poco ma s de energi a, lo que les permite vencer las fuerzas de atraccio n intermoleculares y "escapar" del resto (evaporación). Con el pasar del tiempo, el recipiente terminara quedandovaci o.

Ahora si tenemos un li quido dentro de un recipiente cerrado donde, al principio existio vaci o. En un inicio el li quido se evapora rápido y despue s se evapora con menos velocidad. Después de un tiempo el li quido "cesa" de evaporarse.

Las parti culas escapan del li quido y pasan a la fase de vapor, pero como esta cerrado el recipiente, no escapan. En la fase gaseosa, las parti culas se mueven a mayor velocidad, chocando entre si y con las paredes del recipiente que las contiene. Mole culas retornan a la fase li quida, a partir de un cierto instante. A partir de esto el nu mero de parti culas que van se iguala al nu mero de parti culas que vuelven por unidad de tiempo. A partir de ese momento la evaporacio n se detiene.

Lo correcto es decir que la velocidad de evaporacio n del li quido se igualo con la velocidad de condensacio n de sus vapores. La Presio n ma xima de vapor de un li quido es como la presio n ejercida por sus vapores saturados, cuando esta n en equilibrio dina mico con el li quido. La Tº y la naturaleza del li quido son influyen en la presio n de vapor.

Si esto se realizara, con una solucio n veriamos que la presio n ma xima de vapor ahora es menor, debido a la adicio n de un soluto no vola til. Es como si las mole culas de soluto molestasen la evaporacio n de las mole culas de solvente, disminuyendo la evaporacio n de la solucio n y, con ello, disminuyendo la presio n ma xima de vapor de la solucio n.

En este momento, podemos decir que se establecio un Equilibrio Dina mico entre el li quido y sus vapores, tambie n que los vapores son saturados y que se consiguio la presio n ma xima de vapor del li quido.

En una solucion diluida formada por un solvente y un soluto no-vola til y no-ionico, la disminucion de la presion ma xima de la solucion es la misma que el producto de la presion ma xima de vapor del solvente puro y la fraccion molar del soluto. Esto se ve en la ley de Raoult:

P = P0 ! X1

En una solucion formada por un solvente li quido y varios solutos gaseosos, la presion total del sistema, esta dada por:

PTotal = ∑ Pv ! XgPt = presión total del sistema.Pv= presiones de vapor parciales de cada gas.Xg = fracción molar de cada gas.

AUMENTO DE LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓNEl agua hierve a 100ºC, una solucion, por ejemplo, de sacarosa en agua hervira sobre los 100ºC.El aumento de la temperatura de ebullicion de un líquido, es generado por la disolucion de un soluto no-vola til.

La vaporizacion del li quido (cambio de el estado li quido al estado gaseoso) puede ocurrir de 2 maneras: Evaporacion: es un tipo de vaporizacion lenta que ocurre solamente en la superficie del li quido. Ebullición: es una vaporizacion turbulenta, con participacion de todo el líquido.

Se puede decir que un líquido esta en ebullicion cuando la presion ma xima de sus vapores (P0) queda igual a la presion atmosferica. Al disolver un soluto no-vola til en un li quido, la presion ma xima de vapor disminuye, es por ello que se necesitara más temperatura para hervir la solucion. El aumento de la temperatura de ebullición de una solución ( tb) es la diferencia entre la Tºde inicio de la ebullicion de la solucion (T) y la temperatura de ebullicion del solvente puro (T0), a la misma presion ambos. Se puede determinar la diferencia de Tº:

Tb = T – T0 o T = Ke ! m ! i

Ke = constante ebulloscópica del solvente.m = molalidad de la solucióni = coeficiente de Van’t Hoff

DISMINUCIÓN EN LA Tº DE CONGELACIÓNLa Tº de congelacion es donde la fase li quida de una sustancia se transforma en fase solida. Mientras el agua pura congela a 0ºC a presion normal, una solucion de sacarosa en agua congelara bajo 0ºC, en las mismas condiciones. Para lograr la congelacion se necesita disminuir poco a poco la Tº de la sustancia. Cuando esto ocurre, la energi a cinetica de las parti culas disminuye. Al iniciarse la congelacion, las moleculas se ordenan en una estructura definida y compacta, asi comienza a formarse la fase solida. Cuando hay equilibrio entre la fase solida y li quida, la Tº del sistema se denomina temperatura de congelacion. Si existe algún soluto en el seno del líquido, este provocara que disminuya la rapidez con que las moleculas de líquido pasan a la fase solida. Como respuesta a esto, hay que enfriar aun ma s la solucion. La disminucion de la temperatura de fusion (congelacion) respecto a la del solvente puro (líquido) es directamente proporcional al nºde parti culas de soluto. La diminución de la Tº de fusion ( Tf) es la diferencia entre la Tº de inicial de congelacion de la solucion (T) y la Tºde congelacion del solvente puro (To). Se puede determinar la diferencia de Tº de congelacion:

Tf = To – T o T=Kf " m " i

KF= constante crioscópica del solvente

m= molalidad de la solución

i= coeficiente de van’t hoff

FACTOR DE VAN’T HOFF EN SOLUCIONESCuando el soluto en una solucion es ionico, este se disocia generando distinta cantidad de iones de acuerdo con su estequiometri a. Estos iones provocan un cambio en las propiedades coligativas mayor al esperado para un compuesto covalente.

Si un mol de soluto covalente puede cambiar en 1 °C la temperatura de ebullicion del agua, al preparar la misma solucion pero esta vez con NaCl (en vez del soluto covalente) la temperatura de ebullicion aumentara en 2 °C. Para incluir estee efecto en las ecuaciones, Jacobus Van’t Hoff definió un factor i que se aplica a las ecuaciones ya conocidas y que dan cuenta de el agregado de un soluto no-vola til a un solvente puro. Este factor puede definirse como el nª de iones que deja un compuesto cuando se disuelve (y disocia) en un solvente puro.

Ejemplo:

AL CL3 AL+3 +3 Cl - i= 4NA CL Na+ + Cl - i=2

OSMOSISFenómeno que consiste en el paso selectivo de moleculas de un solvente desde un lugar con menor concentracion de soluto a otro ma s concentrado, atravesando una membrana semipermeable.Fenómeno que ocurre en las membranas plasma ticas de las celulas, las membranas de dia lisis y en algún filtro poroso. La preisón osmótica se da por que las moleculas de agua tienden a pasar desde una zona de menos concentracion a otra de más concentracion (contra un gradiente de concentración), con el proposito de igualar ambos lados de la membrana. Pues bien, la presion osmotica es el valor que alcanza la presion hidrosta tica de la disolucion inicialmente ma s concentrada en el momento en que se interrumpe el paso de moleculas de agua.

𝜋 = M R T

𝜋 = presión osmótica de la solución.M = molaridad de la solución.T= temperatura absoluta de la solución.R= constante universal de los gases ideales = 0,082 atm L/mol " K

IMPORTANTE: La presión osmótica es directamente proporcional a la molaridad de la solución.

El comportamiento de las parti culas de un soluto en una solución diluida es muy similar al de los gases, ya que ocupan siempre todo el volumen de la disolucion y presentan una interaccion entre partículas casi nula por estar rodeadas por el solvente. Por esto se expresa la presion osmotica de una solucion diluida con una ecuacion similar a la de los gases ideales.

Las disoluciones quimicas pueden presentar distinto grado de concentracion y por ello se clasificarse de acuerdo con:

Soluciones Isoto nicas: Igual concentracion y presion osmotica.

Soluciones Hiperto nicas: Diferente concentracion y presion osmotica. La soluciónma s concentrada se ubica en el lado externo de la membrana.

Soluciones Hipoto nicas: Distinta concentracion y presion osmotica. La solución más diluida se encuentra en el lado externo de la membrana.

Fin