Soluciones7.1 Características de las soluciones

7.1.1 Definición de soluciones y disolventes.7.1.2 Tipos y ejemplos de soluciones

7.2 Solvatación en soluciones acuosas7.2.1 Soluciones acuosas de compuestos iónicos7.2.2 Soluciones acuosas de compuestos moleculares7.2.3 Factores que afectan la rapidez de solvatación7.2.4 Calor de solución

7.3 Solubilidad7.3.1 Solución saturada e insaturada7.3.2 Factores que afectan la solubilidad7.3.3 Temperatura y solubilidad7.3.4 Presión y solubilidad7.3.5 Ley de Henry

7.4 Concentración de una solución7.4.1 Como se expresa la concentración7.4.2 Porciento por masa7.4.3 Porciento por volumen7.4.4 Molaridad7.4.4.1 Preparación de soluciones molares7.4.4.2 Dilución de soluciones7.5.1 Molalidad7.5.2 Fracción molar

7.5 Propiedades coligativas7.5.1 Electrólitos y propiedades coligativas7.5.2 No electrólitos en solución acuosa7.5.3 Reducción de la presión de vapor7.5.4 Elevación del punto de ebullición7.5.5 Disminución del punto de congelación

7.6 Osmosis y presión osmótica

7.7 Mezclas heterogéneas7.7.1 Suspensiones 7.7.2 Coloides7.7.2.1 Movimiento Browniano7.7.2.2 Efecto Tyndall

El agua: representación molecular

Geometría de la molécula del agua. Existe una gran diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el oxígeno unidos por enlaces covalentes, por el cual el par de electrones se comparten desigualmente.

Fuerzas intermoleculares en el agua

La moléculas que son dipolo como el agua; tienen fuerzas de atracción entre las partículas.

Puentes de hidrógeno

El agua tiene fuerzas intermoleculares (enlaces de hidrógeno, líneas punteadas) e intramoleculares (enlaces covalentes, con líneas sólidas).

El agua : propiedades físicas• Estados del agua• El hielo flota. Densidad del agua a distintas temperaturas.

A 3.98 °C, el agua alcanza su volumen mínimo y por lo tanto su máxima densidad.

¿Qué son las soluciones?

• Son mezclas homogéneas• Una solución puede existir en estado

gaseoso, líquido ó sólido según el estado del disolvente. Sin embargo la mayor parte de las soluciones son líquidas.

Características de las soluciones

• Solubles. Sustancia que se disuelve en un disolvente.

• Insolubles. Sustancia que no se disuelve en un disolvente.

• Inmiscibles. El aceite es insoluble en el vinagre y, por tanto, se dice que ellos son inmicibles.

• Micibles. Se dice que son solubles entre si.

Tipos y ejemplos de soluciones

Factores que afectan la solubilidad y la velocidad de disolución

• La solubilidad real de un soluto en un disolvente depende de tres factores:1. las propiedades del soluto y del disolvente,2. la temperatura y 3. la presión

• La velocidad a la cual se disuelve un soluto en un disolvente depende de tres factores:1. el tamaño de partícula del soluto,2. la velocidad de agitación y3. la temperatura.

Propiedades del soluto y del disolvente

• Muchos compuestos iónicos como el cloruro de sodio son, en general, solubles en agua, ya que estos iones son atraídos por uno de los polos de la molécula del agua o bien porque forman enlaces de hidrógeno o por ambas razones.

• Sin embargo, los compuestos covalentes son habitualmente solubles en tetracloruro de carbono e insolubles en agua, porque las moléculas de agua se encuentran unidad unas con otras por enlaces de hidrógeno, que son más firmes que la unión que podríaexistir con las moléculas que no son iónicas ni polares.

• Una frase que se utiliza con frecuencia es : lo semejante disuelve lo semejante disuelve lo semejantelo semejante. Por lo tanto los compuestos iónicos (polares) casi Por lo tanto los compuestos iónicos (polares) casi siempre son solubles en disolventes polares y los compuestos siempre son solubles en disolventes polares y los compuestos covalentes (no polares o débilmente polares) se disuelvencovalentes (no polares o débilmente polares) se disuelven en en disolventes que no son polares.disolventes que no son polares.

Temperatura• La solubilidad de un gas

en agua disminuye al aumentar la temperatura.

• La solubilidad de un sólido en un líquido por lo general aumenta cuando la temperatura se incrementa. Sin embargo, hay algunas excepciones.

Presión

• Las soluciones formadas sólo por líquidos y sólidos no se ven afectadas en forma apreciable por la presión. Sin embargo, las soluciones de gases en líquido sí tienen una influencia directa de la presión. La ley de William Henry (1774-1836), establece que la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas que está sobre el líquido.

La velocidad de disolución

• Tamaño de partícula.• Velocidad de agitación• Temperatura. Un incremento en la

temperatura da como resultado un incremento en la velocidad de disolución

Solvatación en soluciones acuosas

• Cuando se pone un soluto sólido en un disolvente, las partículas de éste rodean completamente la superficie de aquél. Estas partículas rodeadas se alejan del soluto sólido, integrándose a la solución. Este proceso en que las partículas del disolvente rodean las partículas del soluto para formar una solución, se llama solvatación. La solvatación en agua se llama hidratación.

• “Igual disuelve igual” es la regla general que se usa para determinar si la solvatación ocurrirá en un disolvente específico. Para determinar si un disolvente y un soluto son semejantes, debes examinar los enlaces, la polaridad de las moléculas y las fuerzas intermoleculares entre las partículas.

Soluciones acuosas de compuestos iónicos

• Las moléculas de agua rodean los iones y los iones solvatados se mueven en la solución. Esto expone mas iones en la superficie del cristal, de modo que la solvatación continua hasta que todo el cristal se haya disuelto y todos los iones queden distribuidos en el disolvente.

NaCl(s) Na +(ac) + Cl-(ac)

Soluciones acuosas de compuestos moleculares

• Tan pronto como los cristales de azúcar entran en contacto con el agua, las moléculas de ésta colisionan con la superficie externa de los cristales. Las fuerzas de atracción entre las moléculas de sacarosa son superadas por las fuerzas de atracción entre las moléculas polares del agua y las moléculas polares de sacarosa. Las moléculas de azúcar dejan el cristal y son solvatadas por las moléculas de agua.

Factores que afectan la rapidez de solvatación

• Agitar la mezcla.• Aumentar el área superficial del soluto e• Incrementar la temperatura del disolvente.

Calor de solución• Durante el proceso de solvatación, el soluto debe

separarse en partículas. • Se necesita energía para superar las fuerzas de

atracción dentro del soluto y dentro del disolvente, de modo que ambos pasos son endotérmicos.

• Cuando se mezclan las partículas del soluto y el disolvente, las partículas se atraen y se libera energía. Este paso en el proceso de solvatación es exotérmico.

• El cambio total de energía presentado durante la formación de la solución se denomina calor de solución.

Solubilidad• Se refiere a la cantidad máxima de soluto que

podrá disolverse en una cantidad determinada de disolvente, a una temperatura y presión específicas. La solubilidad suele expresarse en gramos de soluto por cada 100 g de disolvente.

• Solución satura. Contiene la máxima cantidad de soluto disuelto en una cantidad dada de disolvente.

• Solución insaturada. Es aquella que contiene menos soluto disuelto a temperaturas y presión dadas, que en una solución saturada

Factores que afectan la solubilidad

• Temperatura y solubilidad. Muchas sustancias son más solubles a temperaturas altas que a temperaturas bajas, como se ilustra en la gráfica.

Solución sobresaturada

• Contiene más soluto disuelto que una solución saturada a la misma temperatura.

Presión y solubilidad• La solubilidad de un gas en cualquier disolvente aumenta a medida

que la presión externa (la presión por encima de la solución) aumenta.

• Ley de Henry. Establece que una temperatura dada, la solubilidad(S) de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión (P) del gas por encima del líquido. Esta relación se expresa de las siguiente manera: S1/ P1 = S2/P2.

Concentración de las soluciones• MÉTODOS CUALITATIVOS: Solución saturada, insaturada, sobresaturada

• MÉTODOS CUANTITATIVOS:

• SOLUCIÓN EN PORCENTAJE EN MASA.• PORCENTAJE DE MASA SOBRE VOLUMEN• PORCENTAJE EN VOLUMEN• MOLARIDAD• NORMALIDAD• FORMALIDAD

• FORMALIDAD. PARA CIERTAS ESPECIES QUÍMICAS TENEMOS EVIDENCIA DE QUE NO EXISTEN COMO LAS ENTIDADES QUÍMICAS AISLADAS QUE REPRESENTAMOS EN LAS FÓRMULAS QUÍMICAS, LAS SALES SON UN EJEMPLO DE ELLAS. EN ESTE CASO, SE PREFIERE UTILIZAR EN LUGAR DE“MOL”, “PESO FÓRMULA” Y DE MANERA CORRESPONDIENTE “FORMALIDAD” EN LUGAR DE “MOLARIDAD”

SOLUCIÓN EN PORCENTAJE DE MASA

Porciento por masa = Masa de soluto X 100 Masa de solución

Ejemplo: Para mantener una concentración de cloruro de sodio (NaCl) similar al agua de mar, un acuario debe contener 3.6 g de NaCl por 100 g de agua. ¿Cuál es el porciento por masa de NaCl en la solución?. (R= 3.5 %)

Molaridad• Es el número de moles de soluto por litro de solución.• Un litro de solución que contiene un mol de soluto es una solución

1M, que se lee “solución uno molar”. Un litro de una solución que contiene 0.01 moles de soluto es una solución 0.1 M.Molaridad = moles de soluto / litro de solución.Ejemplo: Calcular la molaridad de 100.0 mL de una solución acuosa que contienen 0.085 moles de cloruro de potasio (KCl) disuelto. 1) Convertir el volumen de la solución de mililitros a litros usando el factor de conversión 1L = 1000mL.

(100mL) (1L/ 1000mL) = 0.1 L2) Después, para determinar la molaridad, divide el número de moles de soluto entre el volumen de la solución en litros.

0.085 moles de KCl = 0.85 moles = 0.85 M0.1000L de solución L

Preparación de soluciones molares

¿Cómo prepararías 1 L de una solución acuosa 1.50M de sucrosa (C12H22O11) para un experimento?.

Una solución acuosa de sucrosa contiene 1.50 moles de sucrosa disuelta en un litro de solución.

Masa molar de la sucrosa = 342 g por tanto:

1.50 moles de C12H22O11 X 342 g de C12H22O11 = 513 g de C12H22O111L de solución 1 mol de C12H22O11 1 L de solución

Pero es posible preparar 100 ml. como sigue:

100 mL X 1 L X 513 g de C12H22O11 = 51.3 g de C12H22O111000 mL 1L de solución

Como preparar soluciones molares

Dilución de soluciones• ¿Cómo determinas el volumen de la solución madre que

debes diluir?molaridad (M) = moles de soluto

litros de soluciónMoles de soluto = molaridad X litros de soluciónDebido a que el número total de moles de soluto no

cambia durante la dilución, los moles de soluto en la solución madre = moles de soluto después de la dilución

Se escribe esta relación como: M1V1 = M2V2

Dilución de soluciones

Normalidad

• La normalidad (N) designa la concentración de una solución en función del número de equivalentes-gramo de soluto contenidos en 1L de solución.

normalidad = equivalentes-gramo de solutolitros de solución

1 eq.-g de un ion = peso fórmula del ioncarga iónica

La fórmula anterior es válida tanto para iones sencillos, como Na+, Cl- y S-2, como para iones más complicados, por ejemplo OH-, NO3

-

y SO4-2.

También 1 eq.-g de un ácido, base o sal = peso formula = peso molecular

carga iónica carga iónicadonde la carga iónica es igual a la carga total, positiva o negativa, como viene indicada por la fórmula.

Molalidad

• Una solución que contienen un mol de soluto por kilogramo de disolvente es una solución uno molal.

Molalidad (m) = moles de solutoKilogramo de disolvente

= moles de soluto1000 g de disolvente

Ejemplo:• En el laboratorio, un estudiante agrega 4.5 g de cloruro de sodio (NaCl) a

100 g de agua. Calcula la molalidad de la solución.Datos conocidos: Datos desconocidosMasa de agua (H2O) = 100 g m= ? mol/KgMasa de cloruro de sodio = 4.5 gUtiliza la masa molar para calcular el número de moles de NaCl.4.5 g de NaCl X 1 mol de NaCl = 0.077 mol NaCl

58.44 g de NaClConvierte la masa de H2O de gramos a kilogramos100 g de H2O X 1 kg de H2O = 0.1000 kg de H2O

1000 g de H2OSustituyendo:m = moles de soluto = 0.077 moles de NaCl = 0.77 mol /kg

kg de disolvente 0.1000 kg de H2O

Fracción molar• Es la razón del número de moles de soluto en solución

sobre el total del número de moles de soluto y disolvente.

XA = nA

nA + nBEjemplo: 1. En una solución de HCl acuoso, el 37.5 % es de HCl y el

62.5% de agua : nHCl ?, nH2O ?

Ejemplo: 2 Ejemplo: ¿Cuál es la fracción molar de alcohol de unasolución formada por dos moles de alcohol etílico y 8 moles de agua?

Propiedades coligativas de las soluciones

• Son la propiedades físicas de las soluciones afectadas por el número de partículas de soluto y no por la identidad de las partículas disueltas del mismo.

• Estas propiedades incluyen:Reducción de la presión de vapor, Elevación del punto de ebullición, Disminución del punto de congelación yPresión osmótica.

Reducción de la presión de vapor

• Presión de vapor.• Experimentos demuestran que

agregar un soluto no volátil a un disolvente, reduce la presión de vapor del disolvente.

• Cuanto mayor sea el número de partículas de soluto en un disolvente, tanto menor será la presión de vapor resultante.

• Efecto de no electrólito y electrólito.Un mol de moléculas de los no electrólitos solvatados, glucosa, sacarosa y etanol, tienen el mismo efecto relativo sobre la presión de vapor. Sin embargo, un mol de los electrólitos solvatados, ácido fosfórico, sulfato de sodio, cloruro de sodio y cloruro de aluminio, tienen un efecto cada vez mayor sobre la presión de vapor debido al creciente número de iones que cada uno produce en la solución.

Elevación del punto de ebullición

• Cuando la temperatura de una solución que contienen un soluto no volátil se eleva hasta el punto de ebullición del disolvente puro, la presión de vapor resultante sigue siendo menor que la presión atmosférica; por tanto, la solución no hervirá, de manera que debe calentarse a una temperatura mayor para que reciba la energía cinética adicional necesaria para elevar la presión de vapor e igualar la presión atmosférica. La diferencia de temperatura entre el punto de ebullición de una solución y el punto de ebullición de una disolvente puro se denomina elevación del punto de ebullición.

Constantes molales de elevación del punto de ebullición.

Para los no electrólitos, el valor de la elevación del punto de ebullición, que se simboliza como ΔTb, es directamente proporcional a la molalidad de la solución.

ΔTb = Kbm

Disminución del punto de congelación

• Es la diferencia de temperatura entre el punto de congelación de la solución y el punto de congelación de su disolvente puro. Para los nóelectrólitos, el valor de la disminución del punto de congelación es directamente proporcional a la molalidad de la solución.

ΔTf = Kf m

Constantes molales de disminución del punto de congelación

• Al igual que con los valores de Kb, los valores de Kf son específicos para sus disolventes. Con el valor Kf del agua de 1.86 °C/m, una solución acuosa 1m que contienen un soluto no volátil, no electrolito, se congela a -1.86 °C y no como el agua pura, que lo hace en 0.0°C.

Ósmosis y presión osmótica

• Ósmosis es la difusión de las moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable, desde un área de mayor concentración del disolvente hacia otra de menor concentración

Mezclas heterogéneas

• Las mezclas heterogéneas contienen sustancias que existen en fases distintas. Las suspensiones y los coloides son dos tipos de mezclas heterogéneas

• Suspensiones: Son mezclas que contienen partículas que se sedimentan, si no se agitan. Al verter una suspensión líquida a través de un filtro, se separa las partículas en suspensión. Las partículas en suspensión son grandes en comparación con las partículas solvatadas, pues tienen diámetros mayores de 1000 nm (10-6 m) mientras que los diámetros de las partículas solvatadas son menores de 1 nm (1-9 m)

Coloides

• Las partículas de una suspensión son mucho más grandes que los átomos. En contraste, las partículas de una solución tienen un tamaño de escala atómica. Una mezcla de heterogénea de partículas de tamaño intermedio (entre el tamaño de las partículas de una solución y el de las partículas en suspensión) es un coloide. Las partículas coloidales miden entre 1 nm y 1000 nm de diámetro. La sustancia más abundante en la mezcla es el medio dispersión. Los coloides se ordenan por categorías de acuerdo con las fases de sus partículas dispersas y los medios de dispersión. La leche es un coloide pero, aunque la leche homogenizada se asemeja a la mezcla de almidón de maíz, no puedes separar sus componentes por sedimentación o filtración.

Tipos de coloides

Ejemplos de coloides

• a) La bruma, liquido en aerosol

• b) Soles, partículas sólidas en medio líquido

• Espuma producido por la levadura en la mas

Movimiento Browniano

• El movimiento Browniano resulta de las colisiones de las partículas del medio de dispersión con las partículas dispersas.

Efecto Tyndall

• Los coloides diluidos parecen homogéneos debido a que sus partículas son tan pequeñas que no se pueden ver sin ayuda. Las partículas coloidales son bastante grandes para dispersar la luz, fenómeno que se conoce como efecto Tyndall