QUÍMICA COMÚNQC-10

DISOLUCIONESQUÍMICAS

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2012INTRODUCCIÓN

DISPERSIONES

Son sistemas en los cuales una sustancia está diseminada, en una segunda sustancia. La primerase denomina fase dispersa y la segunda, dispersante o fase dispersante.

Las dispersiones se clasifican de acuerdo al tamaño medio de las partículas dispersas:

DISPERSIÓN TAMAÑO DEL SOLUTOSuspensión Mayor a 100 nm

Coloide Entre 1 y 100 nmSolución Menor a 1 nm

Recordemos que: 1 nm = 10-9 m

SOLUTO DISOLVENTESÓLIDO LÍQUIDO GAS

SÓLIDO BRONCE (Cu-Sn) Salmuera(NaCl-H2O)

Polvo en el aire

LÍQUIDOMERCURIO EN HIERRO

(Hg-Cu)Etanol-H2O Aire húmedo

GAS H2 en Pd (paladio) Agua mineral CO2 en aire

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CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES

TIPO DE SOLUTO

• Moleculares: cuando las partículas dispersas son sustancias moleculares, por ejemplo,sacarosa (C12H22O11) en agua.

• Iónicas: cuando las partículas dispersas son iones, por ejemplo, iones de la sal común(Na+ y Cl-) en agua.

Los electrolitos

Los compuestos que al disolverse en agua generan iones, permiten la conducción de la corrienteeléctrica a través de una disolución y se denominan electrolitos.

Se conocen 2 tipos generales de electrolitos:

Fuerte: disociación 100%, muy solubles y gran conductividad eléctrica.

Débiles: disociación <100%, poco solubles y pobre conductividad eléctrica.

No Electrolitos: no disocian y por tanto no dejan iones en solución. Estos compuestos reaccionancon el agua generando puentes de hidrógeno, interacciones mucho más débiles que lasatracciones electrostáticas entre iones. Ejemplos: sacarosa, glucosa, etanol (C2H5OH).

Soluciones parcialmente iónicas

Hay muchas soluciones que presentan simultáneamente moléculas e iones dispersos, porejemplo, en una solución acuosa de ácido acético (ácido débil) existen muchas moléculas(CH3COOH) y pocos iones (CH3COO- y H+) en solución.

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RELACIÓN SOLUTO /SOLVENTE (CONCENTRACIÓN)

•Soluciones diluidas: contienen poco soluto en relación al solvente (10 gramos de clorurode sodio en 1 litro de agua).

•Soluciones concentradas: contienen bastante soluto en relación al solvente (por ejemplo:300 gramos de cloruro de sodio en 1 litro de agua).

SOLUBILIDAD

La Solubilidad (S) representa la masa de soluto disuelto en una cantidad fija de solvente. Larelación se puede determinar en g/L, g/mL, g/100g, g/ 100 mL, etc.

De acuerdo al grado de solubilidad de un soluto en un determinado solvente, las disoluciones seclasifican en

• Insaturadas : contienen menos soluto que el establecido por la solubilidad.

• Saturadas : contienen la cantidad máxima que establece la solubilidad.

• Sobresaturadas : sobrepasa la cantidad de soluto que indica la solubilidad.

El punto de saturación para una disolución representa un límite de estabilidad.Consecuentemente las soluciones sobresaturadas sólo pueden existir en condiciones especiales y,cuando existen, son siempre inestables, de hecho, en general basta agitar una solución oadicionar un pequeño cristal del propio soluto para que todo el exceso de soluto precipite, y coneso la solución sobresaturada vuelve a saturarse.

Lo semejante disuelve lo semejante

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IMPORTANTE:

Cuando la solubilidad de una sustancia es prácticamente nula, diremos que la sustancia esinsoluble en ese solvente, es el caso del cloruro de plata en agua, cuya solubilidad es de 0,014gramos/litro. Cuando esto ocurra entre dos líquidos diremos que son inmiscibles (aceite yagua).

Cuando las sustancias se disuelven en cualquier proporción (solubilidad infinita) diremos que ellasson totalmente miscibles (alcohol etílico y agua).

CAMBIOS EN LA SOLUBILIDAD

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NATURALEZA DE LOS COMPONENTES

La solubilidad de un compuesto en un determinado solvente depende en gran medida del nivel deinteracción que pueden establecer entre ellos, por esto la naturaleza del soluto y del solventedeterminan el grado de solubilidad que se alcanzará y si uno de ellos cambia, entonces lasolubilidad también.

PRESIÓN

La presión sólo afecta de manera significativa a los gases por lo tanto, es el único estado deagregación que en una mezcla podría cambiar su solubilidad al variar la presión. La solubilidadde un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión aplicada por el gassobre el líquido.

Al aumentar la presión de un gas en un disolvente líquido, las moléculas de gas se aproximan y elnúmero de colisiones por segundo (que las moléculas de gas experimentan con la superficie dellíquido) aumenta. Esto provoca un cambio en la solubilidad del soluto gaseoso en el solventelíquido, dado que un mayor número de moléculas se disuelven en el solvente.

TEMPERATURA

SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS

La solubilidad de un gas en un líquido disminuye con latemperatura, pues al aumentar la temperatura aumenta laenergía cinética de las moléculas de líquido generandoespacios por los cuales se escapan las moléculas gaseosas,a su vez con el aumento de temperatura las moléculasgaseosas también se mueven más rápido y comienzanaumentar su velocidad de escape, por esto una bebidagaseosa tibia casi nunca tiene gas.

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SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS

En general, la solubilidad de un sólido aumenta con la temperatura y sólo algunas sustanciasdisminuyen su solubilidad.

Analicemos esto a través de algunas curvas de solubilidad, relacionando la disolución de variossolutos en 100 g. de agua, en función de la temperatura.

¿Cuál es la sustancia más soluble en 100 g de H2O: KCl o K2Cr2O7?

Respuesta:Primero hay que definir la temperatura donde se hará el análisis,

Bajo los 70ºC, KCl es más soluble que K2Cr2O7

A 73ºC aproximadamente, las solubilidades de ambas sales son iguales.

Sobre los 73ºC, K2Cr2O7 es más soluble que KCl.

Sol

ubili

dad

en g

ram

os d

e su

stan

cia

en 1

00 g

H2O

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CONCENTRACIONES

La concentración de una solución expresa de alguna manera la proporción existente entre lascantidades de soluto y de solvente.

Porcentaje masa-masa (% p/p)

Indica los gramos de soluto que están contenidos en 100 gramos de solución.

Para calcular se usa: 100solucióndegramos

solutodegramos%P/P

Porcentaje masa-volumen (% p/v)

Indica los gramos de soluto que están contenidos en 100 mL de solución.

100solucióndemililitros

solutodegramos%P/V

Para transformar una en otra se utiliza la siguiente expresión, % p/v = d x % p/p

Molaridad o Concentración Molar (M)

Indica los moles de soluto que están contenidos en 1 litro de solución.

solucióndelitro1

solutodemolesM

Para relacionar molaridad con % p/v

M = % p/v · 10PM

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DILUCIÓN

Diluir una solución consiste en adicionar disolvente provocando la disminución de suconcentración. En una dilución el volumen de la solución final aumenta, provocando la disminuciónen la concentración de la disolución. Por otro lado, la cantidad de soluto permanece constante.

SOLUCIÓN 1 + SOLVENTE SOLUCIÓN 2(C1 , V1 , n1) (C2 , V2 , n2)

C1 y C2 = concentración inicial y final(Molar o %P/V).V1 y V2 = volúmenes inicial y final.n1 y n2 = cantidad de partículas de soluto.

La ecuación para la dilución es la que sigue:

C1 · V1 = C2 · V2

MEZCLAS DE SOLUCIONES

Es muy común en un laboratorio químico, mezclar dos o más soluciones iguales o de diferentenaturaleza.

En una mezcla, se adicionan moles de soluto y volúmenes de disolución. Los volúmenes se suponen aditivos sólo cuando las soluciones son diluidas. Para conocer el valor de concentración de una mezcla entre dos disoluciones de distinta

concentración pero con el mismo soluto la ecuación es:

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CONCENTRACIÓN DE IONES

Ciertos solutos se comportan como electrolitos en solución, esto es porque se disocian dandoorigen a cationes y aniones, cuando el electrolito es fuerte se considera que se disocia casi en un100%, por lo tanto se puede calcula la concentración de los iones presentes en la solución.

Ejemplo 1:

Una solución acuosa de NaCl 1M presenta la siguiente concentración de iones Na+ y Cl- :Consideremos que el NaCl es una sustancia iónica, y se comporta como electrolito fuerte (100%de disociación)

NaCl + H2O Na+ + Cl-

1M 1M 1M

La concentración para el ión Na+ y el ión Cl- es 1M dado que al descomponerse la sal genera unsólo catión y un sólo anión.

Ejemplo 2:

Suponiendo que el sulfato de aluminio se disocia totalmente, ¿cuál sería la concentración de susiones en una solución 2 M de esta sal?

Al2(SO4)3 2 Al+3 + 3 SO4-2

inicial : 2 M disociado 4M 6M , se usan los coeficientes para hacer el cálculo

Ahora bien, si una sustancia se disocia parcialmente, en la solución se encontraránsimultáneamente moléculas (sin disociar) e iones y la cantidad de ellos depende delgrado de disociación que presente la sustancia.

LAS PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LA MATERIA

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Las Propiedades Coligativas de las Soluciones son propiedades de los solventes que se venmodificadas cuando se agrega un soluto, (cuando se forma una solución), todas ellas varían almismo tiempo, pero en distinta magnitud. Sabemos que el agua congela a 0ºC y hierve a 100ºC ala presión normal de 1 atmósfera. Sin embargo, al disolver un poco de sal común en agua, estacongelará bajo 0ºC y hervirá sobre los 100ºC a la misma presión.

Lo que ocurre con el agua, es válido también para otros solventes. El efecto de la sal de igualforma lo realizan otros solutos, siempre y cuando sean no-volátiles.

La variación de las propiedades depende únicamente de la cantidad de partículas disueltas, yasean moléculas covalentes o iones, sin importar el tipo de molécula que se use.

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO

Cuando tenemos un líquido en un recipiente abierto, el líquido se evapora continuamente, esto es,cambia de estado físico. La evidencia es que al cabo de cierto tiempo el recipiente se encontraráseco. En un líquido, todas las partículas (moléculas) tienen gran velocidad, sin embargo, algunasposeen un poco más de energía, lo que les permite vencer las fuerzas de atracciónintermoleculares y "escapar" del resto. Este fenómeno se denomina evaporación. Con el pasardel tiempo, evidentemente el recipiente terminará por quedar vacío.

Consideremos ahora un líquido dentro de un recipiente cerradodonde, inicialmente, existió vacío (presión = 0). En un comienzo ellíquido se evapora rápidamente y después se evapora con menorvelocidad. Pasado un tiempo el líquido "cesa" (al menosaparentemente) de evaporarse. Las partículas escapan del líquido ypasan a la fase de vapor, y al estar cerrado el recipiente algunasmoléculas retornan a la fase líquida, a partir de un cierto instante.Con ello el número de partículas que "escapan" se iguala al númerode partículas que "retorna" por unidad de tiempo.

En este instante, diremos que se estableció un Equilibrio Dinámico entre el líquido y susvapores, diremos también que los vapores son saturados y que se consiguió la presión máximade vapor del líquido. Conviene definir la Presión máxima de vapor de un líquido como la presiónejercida por sus vapores (vapores saturados), cuando están en equilibrio dinámico con el líquido.La temperatura y la naturaleza del líquido son factores que influyen en la presión de vapor.

Si la experiencia anterior se realizara, con una solución del mismosolvente notaríamos que la presión máxima de vapor ahora esmenor, debido a la adición de un soluto no volátil. Parecieracomo si las moléculas de soluto "estorbasen" la evaporación de lasmoléculas de solvente, disminuyendo la evaporación de la solución y,consecuentemente, disminuyendo la presión máxima de vaporde la solución.

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AUMENTO EN LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN

Ya dijimos que, mientras el agua hierve a 100ºC, en cambio, una solución, por ejemplo, desacarosa en agua hervirá sobre los 100ºC, a la presión de 1 atmósfera. La elevación de latemperatura de ebullición de un líquido, es ocasionada por la disolución de un soluto no-volátil.

Cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado gaseoso, el fenómeno se conoce comovaporización del líquido, y puede ocurrir de dos maneras:

por evaporación, que es una vaporización lenta y que ocurre solamente en la superficiedel líquido a cualquier temperatura.

por ebullición, que es una vaporización turbulenta, con participación de todo el líquido auna temperatura fija.

Podemos decir que un líquido entra en ebullición cuando la presión máxima de susvapores (Po) se iguala con la presión externa (presión atmosférica).

Al disolver un soluto no-volátil en un líquido, la presión máxima de vapor disminuye (la soluciónemite menos vapores) por lo tanto, se necesitará mayor temperatura para hervir la solución. Laelevación de la temperatura de ebullición de una solución ( te) es la diferencia entre latemperatura de inicio de la ebullición de la solución (t) y la temperatura de ebullición del solventepuro (to), ambos a la misma presión.

Te = T - To

DESCENSO EN LA TEMPERATURA DE FUSIÓN

La temperatura de fusión es aquella en donde la fase sólida de una sustancia se transforma enfase líquida. Así, mientras el agua pura congela a 0ºC a presión normal, una solución de sacarosaen agua congelará bajo 0ºC, en las mismas condiciones.

Para lograr la congelación es necesario disminuir de manera gradual la temperatura de lasustancia. Mientras esto ocurre, la energía cinética de las partículas disminuye. Cuando se inicia lacongelación, las moléculas se ordenan en una estructura definida y compacta y comienza aconformarse la fase sólida. Cuando se establece el equilibrio entre la fase sólida y líquida, latemperatura del sistemas se denomina “temperatura de congelación”.

Si existe algún soluto en el seno del líquido, éste provoca una disminución de la rapidez con quelas moléculas de líquido pasan a la fase sólida. Como respuesta al fenómeno y para reestablecernuevamente el equilibrio dinámico hay que enfriar aún más la solución.

La disminución de la temperatura de fusión (congelación) respecto a la del solvente puro (líquido)es directamente proporcional al número de partículas de soluto.

El descenso de la temperatura de fusión (Tc) es la diferencia entre la temperatura decongelación del solvente puro (To) y la temperatura de inicio de congelación de la solución (T).

Tc = To - T

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OSMOSIS

La osmosis es un fenómeno físico que consiste en el paso selectivo de moléculas de un líquido(solvente) desde aquel lugar con menor concentración de soluto a otro más concentrado,atravesando una membrana semipermeable porosa.

Es común el fenómeno en las membranas plasmáticas de las células, las membranas de diálisis yen algún filtro poroso como el papel celofán.

La presión osmótica se produce por la tendencia de lasmoléculas de agua a pasar desde una zona de menorconcentración a otra de mayor concentración (contra ungradiente), con el propósito de igualar ambos lados de lamembrana. Pues bien, la presión osmótica es el valor quealcanza la presión hidrostática de la disoluciónoriginalmente más concentrada en el momento en que seinterrumpe el paso de moléculas de agua hacia su seno.

Se sabe que el comportamiento de las partículas de unsoluto en una solución diluida es muy parecido al de los gases, ya que ocupan siempre todo elvolumen de la disolución y presentan una interacción entre partículas casi nula por estar rodeadaspor el solvente.

La presión osmótica de una solución es directamente proporcional a la molaridad de la solución

= M R T

Donde:

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

EJERCICIOS DE CONCENTRACIONES

1. Calcule el % p/p de una solución si en 500 g. de ella hay 15 g. de soluto puro.(R: 3% p/p.)

2. Calcule cuánto soluto puro hay en 350 mL de una solución al 6% p/v.(R: 21 g.)

3. Determine cuántos gramos de soluto hay en 200 cm3 de solución de concentración 6% p/py densidad 1,05 g/mL.(R: 12,6 g.)

4. Determine cuántos gramos de soluto hay en 200 mL de solución 2 M de HCl(R: 14,6 g.)

5. La densidad de una solución acuosa de H2O2 es 1,11 g/mL y su concentración es 30% p/p.Determine su concentración molar(R: H2O2 9,8 M.)

6. Determine cuántos mL de solución de concentración 40% p/p y densidad 1,3 g/mL serequiere para preparar 260 mL de solución 3 % p/v.

(R: 15 mL.)

½ hipotónico ½ hipertónico

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7. A 250 mL de una solución 0,4 M de HCl se agregan 750 mL de agua. Calcular laconcentración molar de la nueva solución.(R: 0,1 M)

8. ¿Qué volumen de agua hay que agregar a 300 mL de solución 0,15 M de NaOH para obteneruna solución 0,06 M.(R: 450 mL de H2O)

9. Se prepara una solución agregando 16 mL de una solución de hidróxido de sodio 3 M,completando un volumen de 200 mL con agua. Determine la molaridad de la soluciónresultante(R: 0,24 M)

10. Se juntan dos soluciones; la primera tiene un volumen de 500 mL y una concentración 0,5M; la segunda tiene un volumen igual a 200 mL y una concentración 2 M. Determine laconcentración molar de la solución resultante.(R: 0.92 M)

11. Se mezcla 75 mL de solución 0,25 M H2SO4 con 90 mL de otra solución 0,5 M H2SO4 ¿cuálserá la concentración de la disolución final?(R: 0,386 M)

12. Se mezclan 10 mL de HCl 0,1 M; 23,5 mL de HCl 0,25 M y 8,6 mL de HCl 0,32 M, ¿Cuál es lamolaridad de la solución resultante?(R: HCl 0,23 M)

TEST DE EVALUACIÓN MÓDULO 10

1. ¿Cuál de los siguientes solutos (1 gramo de cada uno) presentará la menor solubilidad en 100gramos de agua a temperatura ambiente?

A) NaOHB) KOHC) CH4

D) HClE) MgCl2

2. Una mezcla homogénea de 2 líquidos polares con similar punto de ebullición puede serseparada mediante un(a)

A) decantación.B) centrifugación.C) extracción con solventes.D) filtración a presión.E) destilación fraccionada.

3. Si una solución de sal y agua se encuentra saturada a una cierta temperatura, entonces

A) se puede sobresaturar adicionando un solvente distinto.B) es definitivamente una solución diluida.C) es posible concentrarla bajando su temperatura.D) al bajar la temperatura se va a insaturar.E) se insatura con el aumento de la temperatura.

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4. Los aerosoles, la niebla y el humo son ejemplos de

A) emulsiones.B) coloides.C) compuestos.D) aleaciones.E) miscelas.

5. 60 gramos de una solución cuya concentración en %P/V es 40% posee una densidad de 1,5g/mL, entonces el volumen ocupado por esa solución (en litros) es de

A) 0,04B) 0,4C) 40D) 60E) 600

6. 120 gramos de NaOH (soda cáustica) se disuelven en 1 litro de agua. Al respecto, la únicaopción correcta es

A) la concentración molar de la solución es 3M.B) la concentración en %P/V es de 12%.C) 1,2 g/mL es la densidad de esa solución.D) la concentración en %P/P es de 12%.E) en ese volumen de agua hay 3 moles de ion Na+.

7. Un sistema L-G (líquido –gaseoso) se calienta desde 20ºC hasta 50ºC. Considerando que elsoluto es dióxido de carbono (CO2), debe ocurrir que la

I) solubilidad disminuye.II) solución se satura.III) masa de solvente se modifica.

De las anteriores es(son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo I y III.D) sólo II y III.E) I, II y III.

8. En 200 mL de solución 2M de C6H12O6 hay

I) 0,4 moles de soluto.II) 72 gramos de soluto.III) 128 mL de solvente.

De las anteriores es(son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo III.D) sólo I y II.E) sólo II y III.

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9. La adición de un soluto no volátil a un solvente puro provoca un cambio en el(la)

I) punto de ebullición del solvente.II) punto de congelación del solvente.III) presión de vapor del solvente.

Es(son) correcta(s)

A) sólo I.B) sólo II.C) sólo I y II.D) sólo II y III.E) I, II y III.

10.De acuerdo al gráfico

g soluto/100g H2O

Se puede inferir correctamente que

A) Ce2(SO4)3 es un compuesto gaseoso.B) la sal más soluble el KNO3.C) a 0ºC la sal más soluble es K2CrO4.D) todas las sales son altamente solubles en agua.E) a 50ºC la solubilidad del NaCl es 60 gramos en 100 gramos de agua.

DMDO-QC10

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