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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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.

25



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 .

26



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.

27



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:

28



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).

29



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)

30



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

31



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.

32



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

33



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

34



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

35



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.

36



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.

37



% 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

38



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

39



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

40



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

41



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

42



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

43



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

44



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

45



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

46



precisamente una de las acciones de los solventes es facilitar las reacciones

qumicas.

47



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.

48



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.

49



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.

50



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.

51



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.

52



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)

53



Grfica 5 Desviaciones positivas y negativas de la Ley de Raoult, adaptado por Dolffi Rodrguez de (Granados Moreno & Garca, 1996)

54



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):

55



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)

56



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).

57



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

58



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

59



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.

60



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:

61



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

62



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

63



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

64



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

módulo fisicoqca amb-unidad 2 y 3

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