Download - Módulo Fisicoqca Amb-unidad 2 y 3
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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD Escuela de Ciencias Agrcolas , Pecuarias y del Medio Ambiente-ECAPMA
Programa de Ingeniera Ambiental-IA Contenido didctico del curso Fisicoqumica Ambiental
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA
Escuela de Ciencias Agrcolas , Pecuarias y del Medio Ambiente
Programa : Ingeniera Ambiental
358115-Fisicoqumica Ambiental
Director Nacional
Jairo Enrique Granados Moreno.,MSc.
2011
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Programa de Ingeniera Ambiental-IA Contenido didctico del curso Fisicoqumica Ambiental
UNIDAD 2.Fisicoqumica de Sistemas Acuosos
Leccin 16.Estructura y propiedades Fisicoqumicas del Agua
Los puentes de hidrgeno son los responsables de que el agua sea lquida a
temperatura ambiente, esta es una molcula neutra que tiene igual nmero de
protones y electrones, sin embargo es una molcula polar. La polaridad del agua
se debe a que el ncleo del Oxgeno atrae los electrones del Hidrgeno,
crendose una pequea carga positiva en ellos y debido a la densidad de carga
negativa en el tomo de oxgeno, se crea regiones dbilmente negativas en los
otros dos vrtices de un tetraedro regular.
Debido a los puentes de hidrgeno que mantienen unidas las molculas de agua,
presenta alta cohesin, y consecuentemente una alta tensin superficial. Esta
propiedad del agua se puede definir como la tendencia de un lquido a disminuir su
superficie, hasta el punto, en que su energa potencial de superficie sea mnima1.
Por ejemplo la forma esfrica de las gotas de lluvia y de las partculas de mercurio
situadas sobre una superficie se debe a esta propiedad.
Otra propiedad que presenta el agua es la capilaridad, que es la capacidad
ascender por ejemplo por tubos de vidrio, en un papel secante, que atraviese los
pequeos espacios entre las partculas del suelo y de esta manera est disponible
para la planta. El agua tiene como caracterstica la imbibicin, o absorcin que
corresponde a la penetracin capilar en sustancias como madera, gelatina y como
resultado hacen que las molculas de estos compuestos se hinchen. Tambin
presenta alto calor especfico (cantidad de calor que una cantidad dada de
sustancia requiere para un aumento dado de temperatura2, adems presenta un
alto calor de vaporizacin que es el calor requerido para que un lquido cambie al
estado gaseoso, y presenta un alto calor de fusin (calor requerido para que un
slido pase a lquido).
1 BRICEO, Carlos Omar. QUIMICA. BOGOT : EDUCATIVA, 1993, pg. 682.
2 Curtis, Helena. Biologa. Biologa. Motevideo, Uruguay : panamericana, 2001, pg. 183
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Una caracterstica importante del agua es que
tiende a ionizarse, es decir a separarse en iones H+
(realmente son iones hidronio H3O+), y iones OH-.
En el agua pura, el nmero de iones H+ y el nmero
de iones OH- es igual a 10-7 moles por litro.
En el hielo las molculas de agua forman una
estructura cristalina muy abierta. En el hielo, el
tomo de oxgeno est rodeado tetradricamente
por cuatro tomos de hidrgeno, por lo tanto puede
hacer dos clases de enlaces el hidrgeno. En la
figura 29 se puede observar que dos tomos de
hidrgeno se unen covalentemente al oxgeno,
mientras los otros dos se unen por puente de hidrgeno, esta estructura abierta es
la causa de que el hielo sea menos denso que
el agua liquida.
Interacciones moleculares
En las molculas de la vida se presentan una serie de interacciones que permiten
que sea posible el metabolismo celular, tales interacciones son: interaccin de
conformacin (en protenas), interacciones electrostticas (biopolimeros),
interacciones dipolo-dipolo o dipolo-carga, puentes de hidrgeno, fuerzas de van der
Waals e interacciones hidrofbicas.
A continuacin se muestra un apartado donde se
hace una breve descripcin de las circunstancias
en las que se presentan cada una de estas
interacciones:
Los enlaces covalentes son los responsables
de la composicin de los biopolmeros
Figura 1 Enlace de hidrgeno (lnea punteada) entre molculas de agua en el hielo.
Figura 30 Ley de Coulomb. Fuente: http://www.ehu.es/biomoleculas/moleculas/fuerzas.htm#f
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determinando su configuracin. En el caso de las protenas, es el enlace peptdico
entre los aminocidos lo que determina la composicin de la protena
(configuracin), pero no su forma espacial definitiva (conformacin). La
conformacin la determinan la orientacin de los aminocidos y la cantidad y el tipo
de interacciones intramoleculares que se dan entre dichos aminocidos.
Las interacciones electrostticas estn basadas en las interacciones entre cargas
elctricas y regidas por la ley de Coulomb (figura 30). Con frecuencia, este tipo de
interaccin recibe el nombre de puente salino. Son frecuentes entre una enzima y
su sustrato (figura 32), entre los aminocidos de una protena o entre los cidos
nucleicos y las protenas. En los biopolmeros existen numerosas fuentes de carga
elctrica. A pH fisiolgico (7.2) los aminocidos bsicos (Lisina y Arginina) estn
cargados positivamente en su cadena lateral y los aminocidos cidos (Asprtico y
Glutmico) estn cargados negativamente (figura 32). Cuando se acercan
aminocidos cargados con signo opuesto aparece una interaccin que estabiliza
dicha conformacin debido a la atraccin de las cargas. En caso de que los
aminocidos tengan el mismo signo se repelern. El pH es determinante en la
aparicin y desaparicin de cargas en los biopolmeros y, por tanto, es un factor a
tener en cuenta en la estabilidad estructural. Las cargas elctricas no son la nica
fuente de interaccin electrosttica. La polaridad es una propiedad de ciertas
molculas y consiste en una distribucin asimtrica de cargas dentro de la molcula,
crendose zonas de signo contrario. El trmino dipolo hace referencia a esta
asimetra de cargas. Existen interacciones dipolo-dipolo o dipolo-carga basados
en las mismas leyes fsicas que las interacciones electrostticas pero de menor
energa. El agua es el mejor ejemplo de molcula polar. El tomo de oxgeno, por su
electronegatividad, atrae a los electrones de la molcula de agua creando una zona
cargada negativamente y dejando a los dos hidrgenos en un ambiente con carga
positiva. Esta propiedad es la que hace del agua una sustancia con caractersticas
nicas y la dota de la capacidad de establecer puentes de hidrgeno (figura 33). Los
puentes de hidrgeno no son exclusivos del agua.
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Los puentes de hidrgeno son una de las interacciones fundamentales para
explicar el plegamiento y la estabilidad de las protenas y del ADN. Las interacciones
responsables de la estabilizacin de estructuras como las hlices alfa y las lminas
beta son tambin puentes de hidrgeno. Se llaman as porque es el hidrgeno el que
se sita entre dos tomos electronegativos haciendo de puente entre ellos. Pero,
para que se origine un puente de hidrgeno, se necesita adems una orientacin
muy precisa entre los tomos que lo forman. En las hlices alfa y en las lminas beta
el nmero de puentes de hidrgeno es elevado. Por eso, a pesar de ser
interacciones dbiles si se consideran aisladamente, la sinergia entre todas ellas
consigue que ambas estructuras sean estables. En las hlices alfa y en las lminas
beta los puentes de hidrgeno se establecen entre los grupos C=O y H-N de los
enlaces peptdicos. La naturaleza polar o apolar de las cadenas laterales de los
aminocidos que forman las hlices alfa y las lminas beta determina si van a estar
expuestas o no al agua.
Otro tipo de interaccin dbil son las fuerzas de van der Waals. Esta interaccin es
el resultado del equilibrio de dos interacciones electrostticas opuestas. El
componente atractivo depende de la capacidad de una molcula no polar de adquirir
polaridad debido a una distribucin temporal asimtrica de sus electrones por
fluctuaciones aleatorias. Si existen dos molculas polarizables suficientemente
cerca, la polarizacin de una puede inducir la polarizacin de la otra, de forma que la
parte positiva atraiga a la negativa y viceversa, la situacin se podra asemejar a dos
imanes atrayndose. Esta atraccin se ve frenada por fuerzas repulsivas, tambin de
origen elctrico, ante la cercana de los electrones de las dos molculas. Existe por
tanto una distancia determinada, segn el tipo de tomos que forma la molcula, en
que estas dos fuerzas se equilibran.
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Las interacciones hidrofbicas son uno de los principales factores de estabilidad
de las protenas y del ADN. Los aminocidos con cadenas laterales no polares evitan
el agua y tienden a localizarse en el interior de la protena interactuando unos con
otros para aumentar la estabilidad de la molcula. En general en las protenas
citoslicas los aminocidos apolares se disponen con sus cadenas laterales hacia el
interior y los aminocidos polares se exponen al agua formando puentes de
hidrgeno. Las interacciones hidrofbicas son dbiles individualmente, pero
sumadas en conjunto constituyen el core (ncleo) de la protena que es muy
estable. Sobre este core se van a disponer las partes de la protena formadas por
aminocidos polares que s pueden interaccionar con el agua3.
Leccin17. Diagrama de Fases, densidad y capacidad calorfica ,
consecuencias Ambientales
Las sustancias pueden existir en tres fases principales: Slido, lquido y gaseoso,
claro est, dependiendo de la presin y temperatura a la que se encuentre,
adems es importante clarificar el concepto de FASE y definirlo como una porcin
3 FIBAO. MEDICINA MOLECULAR. [En lnea] 17 de Octubre de 2007. [Citado el: 21 de Octubre de 2010.] http://www.medmol.es/temas/57/.
Figura 33. Puente de hidrgeno formndose
entre una molcula de agua y una molcula de
amoniaco (NH3)
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homognea de materia, cuyas propiedades fisicoqumicas son iguales punto por
punto y se puede diferenciar fsicamente.
El slido, puede describirse como aquel que posee una forma definida, una
estructura cristalina, y su volumen vara muy poco con la temperatura y presin.
El lquido, se caracteriza porque posee un volumen definido pero no forma propia
a que adoptan la del recipiente que lo contiene.
El gas carece de volumen definido y de forma propia, tiende a ocupar todo el
espacio disponible, presenta gran variabilidad de volumen con cambios de presin
y temperatura, adems posee un alto contenido energtico, debido al movimiento
catico de sus molculas. Los lquidos y gases se denominan fluidos, debido a las
caractersticas expuestas anteriormente.
Sin embargo, las distinciones entre los tres estados de la materia no son siempre
perceptibles, por ejemplo un lquido en su punto crtico es totalmente indistinguible
del gas, lo mismo que a una T=0,01C y P=4,5 mmHg coexisten el hielo, agua y
vapor en forma estable, por lo que a este punto se le denomina punto TRIPLE
DEL AGUA. La grfica 6, muestra las variaciones de presin, temperatura en el
sistema agua, la grfica se encuentra subdividida en 3 regiones claramente
definidas, que representan las fases del sistema (S= Slido, liquido, V= Vapor).
Adems aparecen tres curvas que contienen los equilibrios bifsicos (S-L, L-V S-
V) e indican los respectivos puntos de fusin, ebullicin y sublimacin del agua a
las diferentes presiones. Las pendientes de estas curvas sirven para calcular los
calores de fusin, sublimacin y vaporizacin de acuerdo a la ecuacin de
Clapeyron, [log p = f(1/T)].
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Leccin 18. Acidez , Alcalinidad , electrolitos y No electrolitos
Desde tiempos antiguos se conoca las propiedades de los cidos y las bases. Por
lo tanto, las sustancias cidas tenan las caractersticas de cambiar el color de
ciertos colorantes, tenan sabor agrio y desprendan un gas al colocarse en
contacto con carbonatos.
Por otra parte, los lcalis o bases se caracterizaban por su sabor amargo, su
carcter resbaladizo al tacto y por cambiar el color de ciertos colorantes.
En el ao de 1884, Svante Arrhenius propuso la teora de disociacin electroltica
que posteriormente desarroll Ostwald. Segn Arrhenius, un cido se define como
una sustancia que en solucin acuosa incrementa la concentracin de iones
hidronio H3O+, y una base como el compuesto que en solucin acuosa aumenta la
concentracin de iones hidroxilo, OH-, por ejemplo el HCl se considera cido por
reaccionar con el agua de la siguiente manera:
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De igual forma el CO2 es un cido porque al reaccionar con el agua forma cido
carbnico (H2CO3) como se observa en la siguiente ecuacin:
En general los xidos no metlicos reaccionan con el agua para formar soluciones
cidas.
Por otra parte, un ejemplo de base de Arrhenius es el NaOH, formado por los
iones Na+ y OH- , en agua se disocian as:
Los xidos metlicos reaccionan con agua para formar su correspondiente base,
por ejemplo:
En general la teora de Arrhenius, define una reaccin cido-base como la que
ocurre entre H3O+ y OH- para formar agua y su sal correspondiente, por ejemplo:
Otra definicin del concepto cido y base, lo realizaron por separado en 1923 el
qumico Dans Johannes Brnsted y el qumico ingls Thomas M. Lowry, segn
ellos los cidos son sustancias capaces de donar un protn, y las bases como
sustancias capaces de aceptar un protn. Por ejemplo, cuando se disuelve HCl en
agua, ste acta como un cido donando un protn y el agua acta como una
base aceptando un protn.
En la siguiente reaccin:
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el amoniaco, NH3, acepta un protn proveniente del agua para formar amonio
NH4+; por lo tanto, sta se comporta como un cido cediendo protones. La
reaccin es reversible donde se produce una transferencia de protones, la
reaccin inversa es:
En la reaccin reversible el NH4+ acta como cido, es decir dona protones y el
OH- acepta los protones actuando como una base. Este ejemplo, muestra que
cada cido est asociado con una base conjugada, que se forma del cido por la
prdida de un protn, por ejemplo la base conjugada del NH4+ es el NH3; la base
conjugada del H2O es el OH-. De igual forma, cada base tiene un cido
conjugado que se forma a partir de la base por la adicin de un protn, en ste
caso el H2O es el cido conjugado del OH-. Debido a que estas dos ltimas
especies varan solamente en presencia o ausencia de un protn, se conocen
como par cido-base conjugado.
En la medida en que un cido es ms fuerte, su base conjugada es ms dbil y
entre ms dbil es el cido la base conjugada es ms fuerte. Por ejemplo, el HCl
es un buen donador de protones, debido a que su base conjugada es muy dbil
para aceptar los protones, es decir tiene menos atraccin por los protones que el
H2O. Entonces, el protn se transfiere al agua para forma H+
(ac).
Leccin 19.Reacciones en soluciones acuosas
cidos y Bases fuertes
Segn Brnsted-Lowry, un cido acuoso fuerte es cualquier sustancia que
reacciona completamente con agua para formar H+(ac); un cido dbil es una
sustancia que reacciona parcialmente en esta forma.
En las disoluciones acuosas, los cidos fuertes se presentan ionizados
completamente con concentraciones no significativas de molculas de soluto
neutras residuales. Por ejemplo, una disolucin acuosa de HNO3, cido ntrico,
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0,10M contiene [H+]=0,10M y [NO3-]=0,10M; la concentracin de HNO3, es
virtualmente cero.
Por otra parte, las bases fuertes aceptan muy fcilmente los protones. Las bases
fuertes ms comunes son el NaOH y el KOH, los cuales son electrolitos fuertes
que se disocian en agua como cualquier sustancia inica. Por ejemplo, una
disolucin acuosa de NaOH 0,10 M contiene 0,10M de Na+(ac)y 0,10M de OH-(ac),
sin NaOH no disociado:
Todos los hidrxidos de los metales alcalinos, son electrlitos fuertes exceptuando
el Be, que presentan solubilidad baja.
En la tabla 23 se presentan algunos cidos y bases fuertes.
Tabla 1 se presentan cidos y bases fuertes ms comunes
(Brown & Lemay, 1987, pg. 448)
CIDOS BASES
HCl Hidrxidos y xidos de los
metales de IA
HBr Hidrxido y xidos de los metales
IIA (excepto Be)
HI
HNO3
HClO4
H2SO4
Equilibrio qumico cido-base
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Segn Brnsted Lowry, los cidos fuertes son sustancias que tienen gran
capacidad para donar protones y las bases fuertes son buenas aceptadoras de
protones.
La fuerza del cido se puede medir cuantitativamente por el grado en que los
reaccionantes transforman los productos, sta transformacin depende de la
tendencia de la base para aceptar protones, por lo tanto para poder comparar la
fuerza relativa de los cidos, se debe tomar como referencia la misma base.
Experimentalmente se ha comprobado la tendencia de los cidos para donar los
protones al agua. Esta medida cuantitativa est dada por la constante de equilibrio
de la reaccin:
Leccin 20.Ciclos REDOX en aguas y disoluciones reguladoras:
Las soluciones "Buffer" Tampn son aquellas que se oponen a los cambios de
pH, cuando se les adicionan cidos o lcalis (hidrxidos). Su accin se basa
principalmente en la absorcin de hidrogeniones (H+) o iones hidroxilo (OH-).
En forma general, una solucin amortiguadora
est conformada por una mezcla binaria de un
cido dbil y una sal del mismo cido proveniente
de una base fuerte tambin, una base y una sal
de esta base proveniente de un cido fuerte.
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Ejemplo:
Mezcla de cido actico y acetato de Sodio
Hidrxido de amonio y cloruro de amonio
La aplicacin ms importante de estas soluciones reside en el estudio de la
regulacin del equilibrio cido=base en los sistemas biolgicos, por eso a nivel de
experimentos bioqumicos se utilizan para controlar el pH de reacciones in vitro.
Un amortiguador biolgico de vital importancia es el plasma sanguneo, el cual
regula valores de pH entre 7.2 y 7.3; con variaciones de 0,2 unidades se
presentaran efectos letales para la vida.
pH de una Solucin Amortiguadora
(Ecuacin de Henderson-Hasselbach) considerando que la solucin
amortiguadora es una mezcla de cido dbil con una sal del mismo cido
proveniente de base fuerte y adems que un cido dbil se ioniza parcialmente,
podemos representar la ionizacin de esta forma:
H A H+ + A-
Donde: HA = Acido dbil Brnsted
A-=Base conjugada segn Brnsted
Segn la ley de accin de masas, la constante de ionizacin de este cido, se
escribe as:
Despejamos [H+] y resulta:
Tomamos logaritmos a ambos lados de la igualdad
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log log
a
Aplicamos propiedades de logaritmos, segn el apndice
log [H+]= log Ka[HA] - log[A-]
log [H+]=log Ka + log[HA] - log[A-]
Ahora, multiplicamos toda la igualdad por -1
- log [H+]=- log Ka-log[HA] + log[A-]
Recordemos que:
pH = - log[H+] y pKa=-log Ka
Reemplazando estas expresiones en la ecuacin anterior y reorganizando:
pH =- pKa + log[A-] - log[HA]
Aplicamos otra vez propiedades de logaritmos y finalmente resulta:
p p a log
Esta expresin se conoce como ecuacin de Henderson -Hasselbach y sirve para
calcular el pH de mezclas de cidos dbiles y sus sales, es decir, soluciones
Buffer", Tampn amortiguadoras.
En trminos generales, la expresin anterior se puede escribir tambin as:
p p a log base conjugada
cido d bil
p p a log Sal
cido
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De acuerdo a esta ecuacin, podemos deducir, que el pH de una solucin
amortiguadora, depende de dos factores:
a. El valor del pKa del cido dbil
b. La proporcin entre las concentraciones de sal y cido.
En la tabla 24, se presentan las constantes de disociaciones de algunos cidos y
bases dbiles de inters biolgico, lo mismo que su pKa y Pkb.
Tabla 2 Constantes de disociacin, pKa y pKb de cido y bases dbiles (fuente: GRANADOS MORENO, Jairo. Fisicoqumica Aplicada. 1ed. Bogot : Arfo Editores Ltda, 1996. pg. 436.
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Volviendo a la ecuacin de Henderson - Hasselbach, podemos observar lo
siguiente:
Aquella mezcla que tenga una proporcin equimolar de sal y cido, es decir la
misma concentracin, poseer un ptimo poder de amortiguacin, ya que el pH =
pKa, matemticamente se demuestra as:
p p a log Sal
cido
Como: [sal]=[cido], tenemos:
pH = pKa+log(1)
pH = pKa+0
pH = pKa
Por eso en la prctica las soluciones amortiguadoras se utilizan en un intervalo de
pH de alrededor del valor del pKa.
Ejemplo de aplicacin
Para ilustrar mejor la aplicacin de la ecuacin de Henderson-Hasselbach,
procedemos a realizar algunos ejemplos.
1. Cul es el pH de una mezcla de acetato de Sodio 0,1 M y cido actico
0,05 M?. (Ka=1,76x10-5).
De acuerdo a este anlisis, tambin podemos definir el pK de un cido dbil
como el pH del sistema amortiguador que resulta al agregarle una cantidad
equimolar de una sal fuerte al mismo cido dbil.
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DATOS INCGNITA
[Acido] = 0,05 M Pka=?
[Sal] = 0,1 M PH=?
Ka=1,76x10-5
Primero hallamos el pK del cido:
pKa=- log Ka= -Log (1,76x10-5)
pKa =-(log 1.76 - 5log10) = -(0,245-5)
pKa = 4,75
Ahora, aplicamos la ecuacin de Henderson - Hasselbach
por propiedad de logaritmo de un cociente.
Reemplazamos los datos se obtiene:
pH = 4,75 + log 0,1 / 0,05
pH=4,75 + log 2
pH=4,75 + 0,30
pH=5,05
2. Cul ser el pH y la concentracin de un sistema amortiguador cuando 3,5
gramos de fosfato cido de potasio (K2HPO4) y 2,7 gramos de fosfato dicido
potsico (KH2PO4) se disuelven en 250 mL de agua destilada? (Ka = 6,8x10-8)
DATOS INCGNITA
K2HPO4=Sal=3,59 [K2HPO4]=[Sal] en mol /L=?
KH2PO4=cido -2,78 [KH2PO4] = [cido] en mol /L=?
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Vsvte=250mL=0,25L pKa=?
Pesos Atmicos PH=?
K=39;P=31 [Buffer]=?
H=1 ; 0= 16
Primero calculamos los pesos moleculares correspondientes;
K2HPO4=(39x2) + (1) + (31) + (16x4)=174 g/mol
KH2PO4=(39)+(1x2)+(31)+(16x4)=136 g/mol
Hallamos el nmero de moles de cada uno:
n g
g mol moles
n g
g mol moles
Determinamos la concentracin molar, recordando que:
nsto
svte
Luego:
moles
A continuacin, calculamos el pKa del cido:
pKa=-log Ka=-log(6,8x10-8)=7,16
Finalmente, aplicamos la ecuacin de Henderson - Hasselbach.
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p log
pH = 7,16 + log(1,052)
Luego pH = 7,18
La concentracin del buffer, se halla sumando las concentraciones del cido y la
sal respectivamente
Por lo tanto:
[Buffer] = [cido] + [sal]
[Buffer] = 0,076M + 0,08 M
RTA: [Buffer] = 0,156 M
Mecanismo de accin de una Solucin Amortiguadora
Sabemos que una solucin amortiguadora regula y controla el pH. Ahora
analizaremos su mecanismo de accin, es decir el cmo lo hace a nivel qumico.
Tomemos como ejemplo, los amortiguadores de acetato que estn conformados
por una mezcla de cido actico (CH3COOH) y acetato de sodio (CH3COONa).
La sal est disociada completamente:
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Lo que nos indica que la concentracin del in acetato debe ser igual a la sal
(acetato de sodio).
Veamos qu pasa cuando el sistema amortiguador se le agrega un cido fuerte
como el clorhdrico (HCl).
Esto significa que los protones agregados, provenientes del HCl, se combinan con
el anin acetato (CH3COO-), para formar cido actico no disociado y cloruro de
sodio (NaCl), por lo tanto, el sistema amortiguador ha contrarrestado el cido
fuerte, liberando en su lugar una cantidad equivalente de cido dbil para
mantener el pH ms o menos constante.
Ahora, analicemos el caso de la adicin de una base fuerte, por ejemplo el
hidrxido de sodio (NaOH), la reaccin efectuada es la siguiente:
La cual nos indica que los iones (OH)- provenientes del hidrxido fueron
neutralizados por los hidrogeniones del cido dbil, produciendo agua Para regular
el pH del sistema amortiguador.
Este mecanismo descrito, es vlido para todos los sistemas amortiguadores as,
sean de origen morfofisiolgico animal, tales como: Los bicarbonatos, protenas
del plasma sanguneo, fosfatos y la hemoglobina, de los cuales hablaremos ms
adelante.
Capacidad Amortiguadora
Se utiliza para comparar las eficiencias de las soluciones amortiguadoras y se
define como: La cantidad de cido o base fuerte que puede neutralizar la solucin
amortiguadora, sufriendo un cambio de pH en una unidad.
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Matemticamente, se expresa como la relacin cociente entre el incremento de
cido o base fuerte con respecto al incremento del pH, es decir:
B (p )
Donde: =Capacidad amortiguadora
B = Incremento de cido o base fuerte mol/L (pH)
(pH)=incremento en unidades de pH
Es evidente que esta capacidad, depende de dos factores:
a. Concentraciones absolutas del sistema, esto significa amortiguadora 2M
compuesta por cido actico 1M que una solucin y acetato de sodio 1M, tendr el
mismo pH que una solucin diluida 10 veces en cada componente.
b. Proporcin relativa de las formas disociada y sin disociar siendo mxima
cuando el cociente [sal] /[cido]
es prximo a la unidad.
El valor de esta capacidad o
eficacia amortiguadora, tambin
se puede determinar por un
mtodo grfico, al calcular las
pendientes de la curva de
titulacin en diferentes puntos
de la misma, como lo muestra la
grafica 17.
La pendiente mxima
debe corresponde a las proximidades del pKa del sistema.
Grfica 1 Capacidad amortiguadora de una solucin, mtodo grfico o de las pendientes. (Granados Moreno & Garca, 1996)
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Ahora, s graficamos la capacidad amortiguadora (B) contra el pH de la solucin,
frente a cidos o base fuerte, obtenemos dos curvas anlogas con un punto
mximo, determinado por el respectivo pKa y que corresponde a la mayor
eficiencia del amortiguador, esto se ilustra en la grfica 18.
Este procedimiento se realiza en el laboratorio a partir de una titulacin
potenciomtrica del sistema amortiguador con respecto a una base fuerte (NaOH)
y posteriormente con un cido fuerte (HCl).
Captulo 5.Equilibrio de Fases
Leccin 21.Regla de Fases de Gibbs
Grfica 2. Capacidad amortiguadora frente a pH ( (Granados Moreno & Garca, 1996)
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Leccin 22.Ecuacin de Clausius Clapeyron
La presin de vapor de vapor P de un lquido y la temperatura absoluta T se
relacionan cuantitativamente por la ecuacin de Clausius-Clapeyron4.
donde ln es el logaritmo natural, R es la constante de los gases (8.314 J/K.mol), y
C es una constante. Esta ecuacin se utiliza para calcular la presin de vapor de
un lquido a temperaturas distintas, conociendo los valores de (Tabla 6) y
P de un lquido a una temperatura dada, es posible calcular la presin de vapor del
lquido a otra temperatura.
Tabla 3 Calores molares de vaporizacin para lquidos selectos (Adaptado por la autora de Chang & College, 2002, pg. 447)
Sustancia Punto de
ebullicin*(C) (kJ/mol)
Argn (Ar) -186 6.3
Benceno (C6H6) 80.1 31.0
Etanol (C2H5OH) 78.3 39.3
ter dietlico (C2H5OC2H5) 34.6 26.0
Mercurio (Hg) 357 59.0
Metano (CH4) -164 9.2
Agua (H2O) 100 40.79
*medido a 1 atm
4 CHANG, Raymond y COLLEGE, Williams. Qumica. 7 ed. Mexico, D. F : Mc Graw-Hill Interamericana, S.A, 2002. pg. 446.
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A temperaturas T1 y T2, las presiones de vapor son P1 y P2, para lo cual se utiliza
la siguiente ecuacin:
A continuacin se muestra un ejemplo de la utilizacin de esta ecuacin5:
El ter dietlico es un lquido orgnico muy inflamable que se utiliza como
disolvente. La presin de vapor del ter dietlico es 402 mm de Hg a 18 C.
Calcular su presin de vapor a 32 C. En la tabla 6 se encuentra el valor de
para 26.0 kJ/mol=26000 J/mol.
RTA: Se reemplaza los valores dados en la siguiente ecuacin
obteniendo:
Se debe aplicar antilog a ambos lados de la ecuacin (exen la calculadora)
Se espera que la presin de vapor aumente con la temperatura, por lo tanto el
resultado es lgico.
Todos los lquidos tienen una temperatura a la cual empiezan a hervir,
denominada punto de ebullicin, que es la temperatura a la cual la presin de
5 CHANG, Raymond y COLLEGE, Williams. Qumica. 7 ed. Mexico, D. F : Mc Graw-Hill
Interamericana, S.A, 2002. pg. 448.
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vapor de un lquido es igual a la presin externa y aumenta en la medida que
aumenta vap .
Leccin 23.Sistemas Fisicoqumicos de uno y dos componentes
Equilibrio slido- vapor:
Los slidos tambin experimentan procesos de evaporacin, el paso de slido a
vapor directamente se conoce como sublimacin. El proceso inverso en el que
las molculas hacen la transicin de vapor directamente a slido, se conoce como
deposicin. Sustancias solidas como el naftaleno o el yodo se subliman con gran
facilidad. Debido a que las molculas en la fase slida estn unidas con ms
fuerza, la presin de vapor es menor que la del lquido correspondiente. La
energa que se requiere para sublimar un mol de un slido, recibe el nombre de
calor molar de sublimacin ( ), y es igual a la suma de los calores molares
de fusin y vaporizacin.
Esta ecuacin corresponde a una demostracin a la ley de Hess. La entalpa para
todo el proceso es la misma si la sustancia pasa directamente de slido a vapor, o
si pasa de slido a lquido y luego a vapor. Esta ecuacin es valida cuando los
cambios de fase suceden a la misma temperatura, de lo contrario esta ecuacin se
considera una aproximacin
A continuacin se muestra un ejemplo de cmo calcular el cambio de energa
total, cuando una sustancia se calienta y experimenta un cambio de fase:
Ejemplo:
Calcular en kilojoules, la cantidad de energa necesaria para calentar 346 g de
agua lquida a 0 C a 182 C. Suponga que el calor especfico del agua es 4.184
J/g.C .
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RTA:
Para resolver el ejercicio se debe hacer en tres pasos:
1. Para el calentamiento del agua de 0 C a 100 C se debe utilizar la
ecuacin:
q1 = ms t
=(346g)(4.184J/g C)(100 C - 0 C)
=1.45 x 105 J
=145 kJ
2. Evaporacin de 346 g de agua a 100 C. El del agua =40.79 kJ/mol,
de modo que:
3. Calentamiento del vapor desde 100 C hasta el 182 C
q3= ms t
q3= (346 g) (1.99J/g.C)(182C-100C)
q3= 5.65 x 104 J
q3= 56.5 kJ
la energa necesaria para todo el proceso est dada por:
qglobal= q1+ q2+ q3
qglobal=145 kJ+783 kJ + 56.5 kJ
En los lquidos, las fuerzas de atraccin tienen una energa comparable a la
energa cintica de las molculas. Las fuerzas de atraccin son capaces de
mantener a las molculas a distancias cortas, pero la energa de atraccin no es
muy fuerte comparada con la energa cintica de las molculas, la cual las
mantiene en movimiento constante y catico.
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En los slidos las fuerzas de atraccin que mantienen unidas las molculas son
superiores a la energa cintica de las mismas, por lo que las molculas no tienen
facilidad para moverse.
Teniendo en cuenta lo anterior, se puede afirmar que un factor clave para
determinar el estado fsico de una sustancia es su energa cintica promedio de
las molculas en relacin con la energa promedio de las fuerzas de atraccin que
existen entre ellas.
Cambios de fase:
Los cambios de fase o transformacin de una fase a otra, ocurren cuando se
suministra o retira energa del sistema. Estos cambios son fsicos y se distinguen
porque el orden molecular se altera. En la fase slida las molculas tienen el
mximo ordenamiento, mientras que en la fase gaseosa tienen el mximo
desorden. En la figura 10 se aprecia los cambios de fase que presenta la materia.
Figura 2. Cambios de fase que presenta la materia (fuente: http://quimica-5b.blogspot.com/)
A continuacin se explica en que consiste cada uno de estos procesos:
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Equilibrio lquido-vapor:
En un lquido, las molculas se encuentran en movimiento que no es del todo libre
comparado con las molculas gaseosas. Debido a que los lquidos tienen mayor
densidad que los gases, la velocidad de colisin de las molculas es mayor en la
fase lquida que en la fase gaseosa. Cuando las molculas de un lquido ganan la
suficiente energa cintica para escapar a la superficie, sucede un cambio de fase.
Cuando el lquido se transforma en un gas ocurre un proceso de evaporacin o
vaporizacin. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energa,
cintica, y por lo tanto ms molculas pasan a la fase gaseosa.
Cuando las molculas de la fase de vapor pasan a la fase lquida, ocurre un
proceso de condensacin o cambio de fase gaseosa a fase lquida. Esto
sucede cuando las molculas de la fase de vapor chocan con la superficie del
lquido, quedando atrapadas por las fuerzas intermoleculares del lquido. Cuando
las velocidades de condensacin y evaporacin se igualan ocurre un equilibrio
dinmico, aqu la presin de vapor medida, se conoce como presin de vapor
de equilibrio, con frecuencia se le denomina presin de vapor, la cual aumenta
con la temperatura (grfica 2).
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El calor molar de vaporizacin (Hvap) es una medida de la intensidad de las
fuerzas intermoleculares que se ejercen en un lquido. Esta propiedad se define
como la energa (unidad kilojoules) necesaria para evaporar un mol de un lquido.
El calor molar de vaporizacin se relaciona directamente con las fuerzas de
atraccin que existen en las molculas del lquido, si estas son altas se necesita
mucha energa para que las molculas pasen de la fase lquida a la fase de vapor,
por lo tanto, el lquido tendr una presin de vapor relativamente baja y un elevado
calor de vaporizacin.
Leccin 24.Equilibrios homogneos y heterogneos
Equilibrio lquido-slido:
La transformacin de un lquido en slido se conoce como congelacin y el
proceso inverso se denomina fusin. El punto de fusin de un lquido o el punto
de congenalcin de un lquido, es la temperatura a la cual la fase slido y lquida
coexisten en equilibrio.
Grfica 3 Aumento de la presin de vapor con la temperatura para tres lquidos. (Adaptado por la autora de Chang & College, 2002, pg. 446)
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El punto de fusin normal o congelacin es la temperatura a la cual una sustancia
se funde o congela a 1 atmsfera de presin. Debido a que las molculas enla
fase slida se encuentran ms unidas que la fase lquida, se necesita ms calor
para producir una transicin slido-lquido.
El calor molar de fusin (Hfus) es la energa necesaria (unidades kilojoules)
para fundir un mol de un slido. En la tabla 7 se muestra los calores de fusin para
algunas sustancias, si se comparan los valores de calor molar de fusin y calor
molar de vaporizacin, se observa que el primero ( Hfus) es menor que el segundo
(Hvap). Esto es debido a que las molculas del lquido todava estn
estrechamente empacadas, y por lo tanto se requiere cierta energa para lograr el
reordenamiento del slido al lquido. Por otra parte, si el lquido se evapora, las
molculas se separan por completo y se necesita una cantidad considerablemente
mayor de energa para vencer las fuerzas de atraccin.
Tabla 4 Calores molares de fusin para sustancias selectas
(Adaptado por la autora de Chang & College, 2002, pg. 452)
Sustancia Punto de
fusin*(C) (kJ/mol)
Argn (Ar) -190 1.3
Benceno (C6H6) 5.5 10.9
Etanol (C2H5OH) -117.3 7.61
ter dietlico (C2H5OC2H5) -116.2 6.90
Mercurio (Hg) -39 23.4
Metano (CH4) -183 -0.84
Agua (H2O) 0 6.01
*medido a 1 atm
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El enfriamiento de una sustancia, tiene el efecto opuesto al calentamiento. Por
ejemplo en una muestra de gas en la medida que se elimine calor a una velocidad
constate, su temperatura disminuye. En la medida que se forme el lquido, se
librea calor porque su energa potencial est disminuyendo.
El proceso de sobreenfriamiento, se da cuando un lquido se enfra
temporalmente por debajo de su punto de congelacin, eliminando el calor a una
velocidad muy rpida, de tal forma que las molculas no tienen la opcin de
acomodarse en la estructura ordenada de un slido. Un lquido sobreenfriado es
muy inestable, la adicin de un pequeo cristal de la misma sustancia o la
agitacin leve, har que se solidifique con rapidez.
Leccin 25.Propiedades termodinmicas de Fluidos
Estado lquido:
El estado lquido se caracteriza porque la distancia entre las molculas es
sensiblemente inferior a la de los gases. Mientras que en un gas la distancia
intermolecular media es igual o mayor que diez veces el tamao de la molcula,
en un lquido viene a ser del mismo orden de magnitud que el dimetro molecular,
y slo un poco mayor que en los slidos6. Eso explica que la densidad de los
lquidos sea, salvo algunas excepciones, slo algo inferior a la de los slidos.
La proximidad entre las molculas hace que se dejen sentir fuerzas atractivas de
interaccin, que evitan que una molcula pueda escaparse de la influencia del
resto, como sucede en el estado gaseoso, pero que les permite moverse
deslizndose unas sobre otras. Esto hace que presenten algunas caractersticas
que a continuacin se explicarn.
Propiedades de los lquidos:
6 [En lnea] http://www.salonhogar.com/ciencias/fisica/estados_materia/estado_liquido.htm.
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Compresin y expansin
A los lquidos se les considera incomprensibles debido que dentro de ellos existen
fuerzas extremas que entre sus molculas las cuales se atraen, por otra parte
cuando a un liquido se le aplica una presin su volumen no se ve afectado en
gran cantidad, ya que sus molculas tienen poco espacio entre si; por otra parte si
aplicamos un cambio de temperatura a un lquido su volumen no sufrir cambios
considerables.
El movimiento de las molculas de un lquido aumenta, a medida que aumenta la
temperatura y consecuentemente la distancia intermolecular se amplia, por lo
tanto, las molculas tienen ms posibilidad de moverse, aumentando su energa
cintica, a pesar de esto las fuerzas de atraccin que existen en el lquido se
oponen a ese distanciamiento.
Difusin
Al realizar la mezcla de dos lquidos, las molculas de uno de ellos se difunden en
todas las molculas del otro lquido a mucha menor velocidad, cosa que en los
gases no sucede. Un ejemplo de esta propiedad, se puede evidenciar cuando se
deja caer una pequea cantidad de tinta (china) en un poco de agua. Debido a que
las molculas en ambos lquidos estn muy cerca, cada molcula conlleva una
inmensidad de choques antes de alejarse, puede decirse que millones de
choques. La distancia promedio que se genera en los choques se le llama
trayectoria libre media y, en los gases es ms grande que en los lquidos, cabe
sealar que esto sucede cuando las molculas estn bastantemente separadas. A
pesar de lo que se menciona anteriormente hay constantes interrupciones en sus
trayectorias moleculares, por lo que los lquidos se difunden mucho ms
lentamente que los gases.
Para ver el movimiento molecular en el agua lquida se sugiere consultar la
siguiente simulacin:
http://www.visionlearning.com/library/flash_viewer.php?oid=1434&mid=120
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Forma y volumen
En un liquido, las fuerzas de atraccin son suficientemente agudas para limitar a
las molculas en su movimiento dentro de un volumen definido, a pesar de esto
las molculas no pueden guardar un estado fijo, es decir que las molculas del
lquido no permanecen en una sola posicin. De tal forma que las molculas,
dentro de los lmites del volumen del lquido, tienen la libertad de moverse unas
alrededor de otras, a causa de esto, permiten que fluyan los lquidos. An cuando,
los lquidos poseen un volumen definido, pero, debido a su capacidad para fluir,
su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.
Viscosidad
Algunos lquidos, literalmente fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con
facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el
nombre de viscosidad. Si existe una mayor
viscosidad, el lquido fluye ms lentamente. Los
lquidos como la maleza y el aceite de los motores
son relativamente viscosos; el agua y los lquidos
orgnicos como el tetracloruro de carbono no lo
son. La viscosidad puede medirse tomando en
cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta
cantidad de un lquido fluye a travs de un
delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad. En
otro mtodo, se utilizan esferas de acero que caen a travs de un lquido y se
mide la velocidad de cada. Las esferas ms lentamente en los lquidos ms
viscosos. Si deseamos determinar la viscosidad con respecto al tiempo, es decir
el volumen del lquido que fluye con respecto al tiempo tenemos:
L
PPr
dt
dV
821
4
Donde:
Ilustracin 1. Viscosidad del agua Fuente:http://betocammpos.over-blog.com/article-agua-milagro-para-todos-los-dias-agua-cura-agua-
salud-51887635.html
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dtdV
= Velocidad de flujo del lquido a lo largo de un tubo.
r = Radio del tubo.
L = Longitud
(P1 - P2) = Diferencia de presin
A pesar de esto la determinacin de las variables L y r es complicado, para esto
empleamos un mtodo de comparacin entre un lquido de viscosidad
desconocida y el agua como un lquido base, pero si consideramos que P es en
proporcin a la densidad tenemos el siguiente anlisis.
22
11
0
1
t
t
Donde:
1= Viscosidad del liquido desconocido.
0=Viscosidad del agua.
Tensin superficial
En un lquido, cada molcula se desplaza
siempre bajo influencia de sus molculas
vecinas. Una molcula cerca del centro del
lquido, experimenta el efecto de que sus
vecinas la atraen casi en la misma magnitud en
todas en la superficie del lquido no esta
completamente rodeado por otras y, como
resultado, solo experimenta la atraccin de
aquellas molculas que estn por abajo y a los lados. Por lo tanto, la tensin
superficial acta en un lquido perpendicular a cualquier lnea de 1cm de longitud
en la superficie del mismo. Para la tensin superficial tenemos lo siguiente:
cos2
ghr
Donde:
Ilustracin 2. Elemplo de tensin superficial, sancudo sobre el agua.
Fuente: http://www.librosmaravillosos.com/lifemateria/capitulo04.html
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r = Radio del tubo capilar.
h = Altura medida desde el nivel del lquido en el tubo de ensaye, hasta el
nivel del lquido en el tubo capilar.
g = Aceleracin de la gravedad.
= Angulo de contacto en el lquido con las paredes del tubo capilar.
= Tensin superficial.
Para los lquidos que mojan el vidrio, su ngulo de contacto se supone a 0, y
sacando el (cos 0) es 1, por lo que la ecuacin anterior se reduce a:
ghr 2
1
Donde:
= Es la diferencia de densidades que existe en el lquido y su vapor.
Tomado de7:
Capilaridad: Es una propiedad que tienen los lquidos para subir o bajar por un
tubo capilar, depende de su tensin superficial (la cual a su vez, depende de la
cohesin o fuerza intermolecular del lquido).
Capitulo 6. Mezclas y Disoluciones
Leccin 26. Mezclas , coloides y soluciones
unidades de concentracin
Las unidades de concentracin pueden clasificarse de muchas maneras; para
fines prcticos se pueden considerar tres grupos: en primer trmino una relacin
libre de pesos de soluto por volumen de solucin, luego una relacin en
porcentajes y por ltimo las unidades de concentraciones en las que la cantidad
de soluto se expresa en moles o equivalentes-gramo.
7 Hernndez, Aarn. monografias.com. [En lnea] 2008.
http://www.monografias.com/trabajos16/propiedades-liquidos/propiedades-liquidos.shtml.
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Unidades de Concentracin peso de Soluto
Se indican estableciendo el cociente entre el peso del soluto (en gramo,
miligramos) y el volumen de solucin (cm3, mL, litro, dm3, m3).
Ejemplos: g/ cm3; g/mol; kg/m3 ; g/L; mg/L = ppm
PPM = Partes por milln
Estas unidades se designan con la letra C
Ejemplo: Una solucin acuosa de NaNO3 que tiene una C = 50 ppm, indica que en
1 litro de solucin existen 50 miligramos de NaNO3, es decir:
ppm mg a
soluci n mg
Unidades de Concentracin Expresadas en Porcentajes
En este grupo se clasifican todas las unidades de concentracin que se expresan,
con base en 100 partes de solucin, pueden ser:
% peso a peso (P/P) = peso de soluto, por cada 100 unidades de peso de la
solucin.
Ejemplo:
Glucosa al 5% por peso = 5 g de glucosa por cada 100 g de solucin.
% peso a volumen (P/V) = peso de soluto, por cada 100 unidades de volumen de
la solucin.
Ejemplo:
NaCl al 70% P/V=10 g de NaCl por cada 100 mililitros de solucin.
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% volumen a volumen (V/V) = volumen de soluto por cada 100 unidades de
volumen de la solucin.
Ejemplo:
Etanol al 95% V /V = 95 mL de etanol por cada 100 mL de solucin.
Unidades de Concentracin en las que la cantidad de Soluto se expresa en
Moles o Equivalentes
Las ms importantes son:
Molalidad (m)
Se define como el nmero de moles de soluto, contenido en 1 kg del solvente o
1000 B), es decir
m nsto (moles)
( g)svte
nsto (moles)
svte g
* Cuando el Wsvte est en gramos *
Por ejemplo en una solucin 0,5 m de NaCl, hay 0,5 moles de NaCl por cada
1000g de agua, es decir:
a l m moles a l
g de
Esta unidad de concentracin es bastante usada en las propiedades coligativas de
las soluciones, que se vern ms adelante, sin embargo, otra forma de trabajarla
es de la siguiente forma:
omo m nsto (moles)
svte ( g) y recordando que
nsto sto
p sto
p
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Donde W2 =peso en gramos del soluto
pM2 = peso molecular del soluto en g/mol
dems g de solvente svte(g)
( g g) donde
Wsvte=masa del solvente en gramos o tambin
gsvte (g)
( g g) ( )
Sustituyendo 2 y 3 en 1 quedara:
m
luego m
entonces m
p que es la otra forma de expresar la molalidad de una soluci n
RECUERDE:
W1=peso en g del solvente
W2= peso en g del soluto
pM2=peso molecular del soluto en g/mol
1000 = 1000g/Kg
Ejemplos:
1. Se trata de inyectar a un enfermo 90 gramos de glucosa (C6H12O6), de modo
que la concentracin sea 0,4 molal. Calcular la cantidad de agua estril (exenta de
pirgenos) en que se va a disolver la glucosa.
DATOS:
W2 = 90 g de glucosa
PM2 = peso mol glucosa = 180 g/mol
INCGNITA: W1=peso en g de H2O
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m
despejamos
luego m p entonces
m p
eemplazamos g kg g
mol g x g mol g de
Como la densidad del agua es 1 g/mL; podemos convertir los 1250 g en unidad de
volumen as:
entonces
g
g m m
( )
( m ) de
RTA:1,25 Lde H2O
2. calcular los gramos de carbonato de sodio (Na2CO3) que se necesitan para
preparar 200 mL de una solucin 2 molal en agua.
DATOS INCGNITAS
PM2=peso mol (Na2CO3)=
(23x2)+12+(16x3)=106 g/mol W agua=W1
m=0,2 moles Na2CO3/Kg agua W Na2CO3 =W2
DH2O=1g/mL W agua=W1=200 mL x (1 g/mL)
VH2O=200 mL
W1 = 200 g de agua
omo m
p despejamos
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entonces
m p
mol g x g mol x g
g g
W2=W Na2CO3 = 4,24 g de carbonato de Sodio.
RIA: Se necesitan 4,24g de carbonato para preparar 200 mL de una solucin 2
Molal.
Normalidad(N)
Se define como el nmero de equivalentes-gramo de soluto contenidos en 1 litro
de solucin, es decir:
El equivalente gramo de un cido o una base se determina dividiendo el peso
molecular del compuesto por el nmero de H+ OH- reemplazables en las
reacciones de neutralizacin, es decir:
Ejemplos:
Calcular el peso equivalente de:
a. Acido Sulfrico
b. Hidrxido de Aluminio
c. Acido Clorhdrico
d. Hidrxido de Sodio
a. H2SO4 --> # de H+ = 2, es decir que un mol de H2SO4 tiene 2 equivalentes
luego:
S S eso molecular
g q
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a. Al(OH)3 --> # de (OH)- = 3, es decir, que un mol de AI(OH)3 tiene 3
equivalentes luego:
S l( ) peso molecular
g q
b. HCI --> # de H+ = 1, luego:
S l
g q
c. NaOH --> # de (OH)-=1, luego:
S a
g q
El equivalente-gramo de una sal puede definirse en funcin de la sal como cido o
base. El pes equivalente puede ser variable dependiendo de si la frmula se
emplea para 1,2 3 unidades de la reaccin de neutralizacin.
Ejemplos:
a. Na2CO3 + 2HCl --> 2NaCl + CO2 + H2O
En esta reaccin 1 Eq de Na2CO3 reaccionan con 2 Eq de HCl, por lo tanto, el
peso equivalente del Na2CO3
a peso molecular
g q
Na2CO3+ 1 HCl --> NaHCO3 + NaCl
En esta reaccin 1 Eq de Na2CO3 reacciona con 1 Eq de HCl, por lo tanto, el peso
equivalente del Na2CO3:
a peso molecular
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Si la sal est sola, se puede determinar el peso del equivalente teniendo en
cuenta el estado de oxidacin y el nmero de tomos del metal, es decir:
Ejemplo:
Calcular el peso Eq-g del fosfato triclcico Ca3(PO4)2
Teniendo en cuenta los estados de oxidacin:
Ca+23(PO4)2-; carga total positiva del calcio
=+2x3=6
Por lo tanto:
eso q g peso molecular
g q
Peso molecular = (40x3) + (31+64) x 2 = 310 g.
EJEMPLO
1. Cuntos gramos de hidrxido de calcio se necesitan para preparar 500 mL de
una solucin 0,5 N?.
DATOS:
VSN = 500 mL = 0,5lt
Peso molecular Ca(OH)2=74 g/mol
# (OH)- = 2
1 mol tiene 2 Eq
INCGNITAS
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Peso Eq-g = ?
WCa(OH)2=?
Segn la definicin:
, de aqu:
Eq-g = V(SN)x N = 0,5L x 0,5 Eq-g/L= 0,25 Eq-g
peso Eq-g Ca(OH)2 = 74/2 = 37 g/Eq, por lo tanto:
1 Eq de Ca (OH)2 pesa 37g, luego 0,25 Eq pesarn:
q ( g q) g de a( )
Por medio de factores:
0,5L x (0,5 Eq-g Ca(OH)2 / 1L) x (37 g / 1 Eq-g)= 9,25 g Ca(OH)2
RTA: se necesitan 9,25g de Ca(OH)2 para preparar 500mL de una solucin
Fraccin Molar ( x )
a. Del soluto (X2) relacin entre el nmero de moles del soluto al nmero de
moles totales es decir:
sto nsto
ntotales
nsto
nsto nvte
tambin:
n
n n
b. Del solvente (X1) es la relacin entre el nmero de moles del solvente al
nmero de moles totales:
n
n n
Si sumamos X1 y X2, obtenemos:
n
t n
nt
n n
nt nt
nt
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Ejemplo:
Calcular la fraccin molar del etanol y del metanol en una solucin cuando se
mezclan 23 g de etanol con 96 g de metanol.
DATOS:
Etanol = C2H5OH
W etanol = 23 g
Metanol = CH3OH
W metanol = 96 g
Peso molecular Etanol = 46 g/mol
Peso molecular MetanoI = 32 g/mol
INCGNITAS:
netanol = ?
nmetanol = ?
Xet=?
Xmet = ?
netanol etanol
peso molecular
g
g mol moles
nmetanol metanol
peso molecular
g
g mol moles
n totales = 0,5 moles etanol + 3 moles metanol = 3,5 moles
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Como Xetanol + Xmetanol = 1-----> Xmetanol = 1 - Xetano= 1- Xetanol
=Xmetanol=1- 0,14 = 0,86
RTAS: La fraccin molar del etanol es 0,14
La fraccin molar del metanol es 0,86
Propiedades de las Soluciones:
En general a las soluciones se les puede asociar las siguientes propiedades:
- Homogeneidad, soluto v solvente estn en una misma fase y por tanto se hacen
indistinguibles.
- Composicin variable, la proporcin en que se encuentran soluto y solvente
puede ser variable, en tanto los lmites de la solubilidad lo permitan.
- Estabilidad relativa, sus componentes no se separan espontneamente.
- Coligacin, propiedades que dependen de la concentracin del soluto y no de la
naturaleza de este.
No hay que olvidar que muchas propiedades fsicas y qumicas de las soluciones
son un conjunto de las propiedades de los componentes individuales.
En el caso de las propiedades fsicas corno por ejemplo densidad e ndice de
refraccin, los valores para la solucin resultan ser intermedios entre los valores
para soluto y solvente. En muchas ocasiones se establece una correlacin entre el
valor del parmetro considerado y la concentracin de la solucin como un mtodo
prctico para controlar algn proceso.
En el caso de las propiedades qumicas, se debe aceptar que como mnimo no
varan las propiedades de los compuestos en forma individual, por cuanto no debe
haber reaccin qumica entre soluto y solvente, por el contrario en la mayora de
los casos muchas de estas propiedades se manifiestan ms activamente, porque
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precisamente una de las acciones de los solventes es facilitar las reacciones
qumicas.
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Leccin 27. Solubilidad y propiedades termodinmicas de las soluciones ideales
Principio de Solubilidad
No es posible establecer unos criterios absolutos que permiten predecir la
solubilidad de un soluto en un solvente determinado, pero se pueden hacer
algunas consideraciones basadas principalmente en el aspecto estructural de los
compuestos involucrados que permitan comprender al menos parcialmente el
fenmeno. Teniendo en cuenta que las mezclas de grasas en cualquier caso
forman soluciones verdaderas y que no hay soluciones de slidos en gas ni de
lquidos en gas y que cuando se tienen solventes slidos, los casos dignos de
tratarse son las aleaciones, se tratarn a continuacin las soluciones lquidas.
Cuando se considera la solubilidad de lquidos en lquidos se puede aplicar el
principio: "Semejante disuelve a semejante". Solventes poco o muy polares
disuelven compuestos poco polares como por ejemplo los hidrocarburos disuelven
hidrocarburos y algunos otros compuestos que tengan baja polaridad.
A su vez sustancias polares como el agua, el metanol y etanol pueden disolver
alcoholes, acetonas, cidos y bases.
La solubilidad de slidos en lquidos puede ser ms compleja de sistematizar y
aunque se puede continuar aplicando el mismo principio es conveniente
considerar otras situaciones. En el caso de los compuestos inicos estos se
solubilizan apreciablemente en solventes que les permitan dar lugar a la formacin
de iones que se estabilizan rodendose de molculas de solvente, que debe ser
necesariamente polar.
Los gases son poco solubles en agua y en otros lquidos corrientes, sin embargo,
son muy importantes esas pequeas cantidades de gas que se disuelven, como el
caso del oxgeno en el agua y que permiten toda la vida acutica y el dixido de
carbono y oxgeno en el torrente sanguneo que permiten la vida animal.
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Expresin de la Solubilidad
La solubilidad de un compuesto en un solvente, se expresa como la concentracin
mxima de la solucin saturada a una temperatura dada; cuando que sea
necesario se especificar tambin la presin, si no se hace se debe entender que
es una atmsfera de presin.
Se entiende que una solucin saturada a una temperatura dada es aquella que
contiene la mxima cantidad posible de soluto por unidad de volumen.
Generalmente la solubilidad se expresa en gramos de soluto/decmetro cbico de
solucin o en moles de soluto/decmetro cbico de solucin, aunque a veces se
utilizan unidades de concentracin poco convencionales como gramos de soluto
por cada centmetro cbico de solvente o gramos de soluto por cada 100
centmetros cbicos de solvente.
Tomando como referencia el criterio de saturacin se consideran soluciones no
saturadas, las que poseen una concentracin menor que la de la solucin
saturada y soluciones sobresaturadas, que aunque solo se presentan en forma
transitoria, casi momentnea, son aquellas que poseen una concentracin
ligeramente mayor que la de la solucin saturada.
Leccin 28. Propiedades coligativas
Antes de abordar este tema, debemos recodar los siguientes conceptos:
a. PRESIN DE VAPOR DE UN LQUIDO: la presin gaseosa que ejerce las
molculas vaporizadas en el vaco y en equilibrio con el lquido a una
determinada temperatura. Esta se puede percibir, en un recipiente cerrado, en
cuyo interior existe un volumen parcial de agua, all las molculas que
escapan del lquido no pueden difundirse indefinidamente, sino que se
acumulan en el espacio libre por encima de ste, hasta producir la
denominada presin a vapor.
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Es importante anotar que esta presin crece rpidamente, al aumentar la
temperatura y su representacin grfica son curvas de tipo exponencial. Sin
embargo, cuando se representa el logaritmo de la presin de vapor en funcin del
inverso de la temperatura, aparece una lnea recta.
Esta expresin matemtica de log P=F(1/T) se conoce como la ecuacin de
CLAUSIUS-CLAPEYRON y tiene 2 aplicaciones principales:
1. Permite la determinacin de la presin de vapor a cualquier temperatura.
2. Por medio de la pendiente de esta grfica se puede calcular el calor
liberado o absorbido a una reaccin de fase (slido-lquido-vapor), es decir,
la ENTALPA de reaccin.
b. PUNTO DE EBULLICIN: Es la temperatura a la cual, la presin de vapor
del lquido es igual a la presin atmosfrica. Por lo tanto, en este punto
existe un equilibrio entre las fases lquida vapor.
Ejemplo:
El punto de ebullicin del agua es 100C a la presin de 1 atmsfera.
c. PUNTO DE FUSIN: Es la temperatura a la cual la fase slida se
encuentra en equilibrio con la fase lquido bajo la presin de 1 atmsfera.
Ejemplo:
El punto de fusin del agua slida (hielo) es de cero grados centgrados a 1 atm.
Leccin 29.propiedades coligativas
Son propiedades universales de las disoluciones, que dependen nicamente del
nmero de partculas disueltas de soluto, ms no de su naturaleza, es decir, no
guardan relacin con el tipo de partcula ya sea in, tomo o molcula. En general
estas propiedades son funcin exclusiva de la concentracin de solutos no
voltiles en la solucin.
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Ahora, enumeramos las cuatro propiedades que vamos a estudiar, ellas son:
1. El descenso de la presin de vapor del solvente.
2. El aumento del punto de ebullicin o elevacin ebulloscpica.
3. El descenso del punto de congelacin descenso crioscpico.
4. La presin osmtica.
El Descenso de la presin de Vapor del Solvente
Cuando un soluto no voltil se aade a un disolvente, se produce una disminucin
de la presin de vapor de ste- El descenso se puede comprender a travs de una
ley establecida por el qumico francs FRANCOIS RAOULT en 1887.
Ley de Raoult
Se pueden enunciar as:
Si consideramos una solucin de A en B, tendremos:
En el cual:
PA = PAOXA PB = PBOXB
La presin parcial de un constituyente voltil (disolvente)
de una solucin es igual a la presin de vapor del
constituyente puro, multiplicado por la fraccin molar del
constituyente voltil (disolvente) en la solucin.
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PA = Presin parcial del constituyente A en la solucin.
PA0 = Presin de vapor de A puro
PB = Presin parcial del constituyente B en la solucin.
PBO=Presin de vapor de B puro
XA = Fraccin molar de A
XB = Fraccin molar de B
De estas dos ecuaciones, la presin total de vapor sobre la solucin es:
P=PA + PB = P0AXA +P
0BXB
Como XA + XB=1, entonces XA = 1-XB
Reemplazando esta expresin quedara:
P=P0A (1-XB)+ P0BXB
Distribuyendo
P= P0A - P0A XB + P
0BXB
Factorizando queda:
P=(P0B- P0A) XB + P
0A
La ecuacin anterior es de la forma Y = mx + b, es decir cuando se representa P
en funcin de la fraccin molar se obtiene una lnea recta.
Efectuando el-siguiente anlisis de la ecuacin cuando XB = 0, entonces P= P0A,
la presin de vapor total sobre la solucin es igual a la presin de vapor del
constituyente A puro cuando la fraccin molar del otro constituyente es cero.
Luego para XB = 1 P=(P0B- P
0A) (1) + P
0A
Entonces P = P0B que tiene un significado equivalente a lo afirmado anteriormente.
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La grfica sera la siguiente:
Grfica 4 Diagrama binario de la variacin de la presin de vapor de una solucin en funcin de sus fracciones molares (Ley de Raoult), Adaptado por autora (Granados Moreno & Garca, 1996)
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Grfica 5 Desviaciones positivas y negativas de la Ley de Raoult, adaptado por Dolffi Rodrguez de (Granados Moreno & Garca, 1996)
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Basndonos en la ley de Raoult, se puede analizar la disminucin de la presin de
vapor del solvente cuando se le aade un soluto no voltil y no electrolito (el no se
disocia en iones con carga elctrica, sino que permanece en forma molecular sin
carga).
Teniendo en cuenta la siguiente nomenclatura:
P0=Presin de vapor del solvente puro = psvte0.
X1=Fraccin molar del solvente=Xsvte
P = Presin de vapor del solvente sobre la solucin= PSN
Podemos afirmar segn la ley de Raoult que:
PSN= P0SVTE
.XSVTE
Esta expresin predice que:
Este enunciado es otra forma general de la rey de Raoult y demuestra que la
presin de vapor del solvente sobre la solucin siempre es menor que la del
solvente puro, ya que X1 siempre es menor que la unidad, por lo tanto el producto.
P0X1< P
Ahora, si dibujamos las curvas exponenciales de presin de vapor del solvente
puro y de la solucin en funcin de la temperatura, observamos lo siguiente
(grfica 14):
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La curva de presin de vapor de la solucin est por debajo de la del solvente
puro, lo que indica que a una temperatura determinada la presin de vapor del
solvente desciende un valor p.
De la grfica se puede observar que:
p=P0svte-PSN
Como: PSN = P0SVTE XSVTE
P = P0svte - P0svte XSVTE
Factorizando: P0svte
0svte (1-XSVTE)
Como: XSVTE+ XSTO = 1
1-XSVTE = XSTO
Luego:
Grfica 6 Descenso de la presin de vapor y aumento del punto de ebullicin adaptado por autora de (Granados Moreno & Garca, 1996)
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0svte.XSTO
Es decir:
Esta ecuacin significa que:
De modo que AP es funcin nicamente de la concentracin de solutos y por lo
tanto representa una propiedad coligativa de la solucin.
Una explicacin ms sencilla de este fenmeno sera la siguiente:
- La adicin de un soluto al solvente disminuye el nmero del molculas del
solvente en la superficie libre del lquido, dificultando as su paso a la fase del
vapor lo mismo que ejercen fuerzas de cohesin sobre las molculas del solvente
disminuyendo su tendencia de escape.
Las cuatro propiedades coligativas estn interrelacionadas y son usadas para
calcular pesos moleculares de solutos.
Un descenso relativo de la presin de vapor del solvente es igual a la
fraccin molar del soluto (otra expresin de la ley de Raoult).
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Tabla 5. Presin de Vapor del agua a diferentes tempertaturas
Ejemplo:
10 gramos de un soluto no electrolito y no voltil fueron disueltos en 100 gramos
de agua a 20C, la presin de vapor descendi desde 17,53 a 17,23mmHg.
Calcular el peso molecular del soluto.
DATOS: INCGNITA:
P0svte = 17,53 mmHg
Peso molecular del soluto =
MSTO = ?.
PSN = 17,23 mmHg
Wsto=10 gramos
Wsvte=100 gramos
Msvte=MH2O=18 g/mol
RECORDANDO QUE:
T (C) P (mmHg) T (C) P (mmHg) T (C) P (mmHg)
0 4,5840 35 42,221 80 355,63
5 6,5449 40 55,391 85 434,04
10 9,2123 45 71,968 90 526,41
15 12,795 50 92,648 95 634,61
20 17,546 55 118,23 100 760,00
25 23,776 60 149,61 105 906,07
30 31,855 70 234,03 110 1074,56
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En soluciones infinitamente diluidas
Adems:
sto
sto y nsvte
svte
svte
Por lo tanto:
sto sto
svte svte svte S
svte
ntonces
g sto
g g mol esolviendo
RTA: sto g mol
Aumento en el punto de Ebullicin de la Solucin
Cuando se re agrega un soluto no voltil a una solucin esta hervir a una mayor
temperatura que la del solvente puro. Esto es una consecuencia directa de la
disminucin de la presin de vapor, ya que por lo por lo visto anteriormente, las
molculas del soluto ejercen una fuerza de cohesin sobre las molculas del
solvente, dificultando su salida a la fase de vapor, por lo tanto, se debe aumentar
la temperatura para que estas escapen y se produzca as la ebullicin.
Este fenmeno es evidente en la grfica 11, en la cual se muestra que a una
temperatura T0, el solvente alcanza una presin P0svte, en consecuencia, para que
la solucin pueda hervir, debe igualar esta presin, por lo cual, se debe aumentar
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su temperatura hasta TSN, mayor que Tsvte. Por lo tanto, este ascenso ebulloscpico
estar dado por:
TSN-Tsvte
ste aumento ebullosc pico ( e) est relacionado con el nmero de partculas
del soluto, es decir, la relacin es directamente proporcional a la concentracin
molal del soluto, por lo tanto, se puede deducir que:
S [sto] entonces = Ke [sto] ->
e m
Donde: = Aumento ebulloscpico de la solucin
[STO]= concentracin de soluto
Ke=Constante ebulloscpica del solvente puro;
m = Molalidad de la solucin.
Esta constante es caracterstica de cada solvente y no depende de la naturaleza
del soluto.
Ejemplo:
Calcular la temperatura de ebullicin de una solucin del glucosa a 10% P/P
DATOS:
La constante ebulloscpica del agua es igual a 0,52C/mol soluto/kg
agua, lo que significa que por cada mol de soluto agregado a 1 kilogramo
de agua su temperatura o punto de ebullicin aumenta 0,52C.
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W glucosa = 10g; Mglucosa=180 g/mol
WH2O = 90 g
Ke=0,52/m
Teb (agua=100C) = Tsvte
INCOGNITA: TSN (temperatura de la solucin)
Se calcula ma molalidad:
m nglucosakg
g g mol
kg
mol
kg
Se halla el aumento ebulloscpico:
Te= Ke m
omo e SN-Tsvte entonces TSN = Te + Tsvte
TSN = 0,3172 C + 100 C = 100,3172 C
RTA: La temperatura de ebullicin de la glucosa al 10% es 100,3172 C
Descenso del punto de congelacin de la solucin:
Al agregar un soluto no voltil a una solucin, esta se congelar a una temperatura
menor que la del solvente puro. Este descenso crioscpico implica una depresin
o abatimiento en el punto de congelacin de la solucin. Este fenmeno es
tambin una consecuencia directa del descenso en la presin de vapor de la
disolucin y por ende depende de la concentracin molal de los solutos, es decir:
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c= Tsvte - TSN =descenso crioscpico de la solucin.
Kc= Constante crioscpica del solvente puro.
m = molalidad de la solucin
La constante crioscpica del agua es igual a 1,86 C/mol sto / kg agua, esto
significa, que por cada mol de soluto agregado a un kilogramo de agua, sta
disminuir o abatir su temperatura de congelacin en 1,86C.
Esta constante tambin es caracterstica de cada solvente y no depende de la
naturaleza del soluto.
Esta propiedad es muy utilizada en el clculo de pesos moleculares de solutos, ya
que el descenso crioscpico es de ms fcil apreciacin que la elevacin
ebulloscpica, por consiguiente podemos derivar una expresin matemtica que
nos sirva para este fin.
Recordando que la molalidad puede escribirse como:
m nsto
gsvte
sto sto
svte sto
sto svte donde
donde
Wsto = Peso en g del soluto
Wsvte = Peso en g del solvente
Msto = Peso molecular del soluto en g/mol
omo c c x m sustituyendo m queda
c c sto
sto svte
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despejando Msto se obtiene:
que es la expresin utilizada en el clculo del peso molecular del soluto.
Ejemplo:
Calcular la temperatura de congelacin de una solucin salina al 20%p/p
DATOS INCGNITA
Kc=1,86
T cong de la solucin ?
[sto]=20% p/p = 20 gsto/100 g
SN
Wsto=20g
T(svte)c = 0C
WH2O=80 g
Msto= MNaCI=58,5 g/mol
Se calcula primero la molalidad de la solucin.
m g g mol
g . mol g molal
Ahora hallamos el descenso crioscpico
c c.m=1,86 x 4,27 = 7,94 C
Finalmente como:
c svte TSN; Iuego TSN = Tsvte-T c
Reemplazando:
TSN = 0C - 7,94C = -7,94C
RTA: La temperatura de congelacin de la solucin salina es de -7,94C
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2. Una solucin que contiene 4 gramos de un soluto no electrolito disueltos en 100
gramos de agua solidifica a -0,465C. Determinar el peso molecular del soluto.
DATOS: INCGNITAS:
Wsto=4g
c ?
Msto=?
Wsvte=100g
TSN = -0,465C
Kc = 1,86
T congelacin H2O = 0C
Primero calculamos el descenso crioscpico
Tc = Tsvte TSN = 0C -(-0,465C)
Tc = 0,465C
De la ecuacin
sto c sto
c svte entonces
sto
g mol
RTA: El peso molecular del soluto es 160 g/mol
C
Esta es la propiedad ms importante a nivel biolgico por su efecto en los medios
lquidos intersticiales e intracelulares y en general porque tiene que ver con la
difusin de estos a travs de las membranas biolgicas.
Comenzaremos por repasar el concepto de OSMOSIS
Osmosis
Es la difusin de lquidos a travs de membrana, (si la membrana es
semipermeable, es decir que permite el paso del solvente pero no del soluto), se
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observa un movimiento espontneo del solvente hacia la solucin que contiene el
soluto para as diluirlo, esto significa que el desplazamiento del solvente, siempre
se dar desde la solucin ms diluida a la ms concentrada.
Presin Osmtica ()
Se define como la presin mecnica que se debe ejercer sobre la so