Quimica

Friday, April 14, 2006

Soluciones

El agua es unode los compuestos químicos más abundante en la Tierra y uno de los más importantes para la vida. Un ser humano puede vivir varios días sin comida, pero solo unos pocos sin agua. En realidad ,desde los comienzos de la evolución del planeta Tierra, el agua ha sido una compañera inseparable. A ella se le debe gran parte del relieve, los suelos y otras características de la Tierra que se perciben en el ambiente natural. Infortunadamente, el desarrollo industrial y sobre todo, la poca conciencia del hombre acerca de la responsabilidad de mantener este recurso en condiciones saludable para las generaciones venideras han hecho que en la actualidad la humanidad presencie un continuo deterioro del agua, que amenaza la vida en muchos ecosistemas acuáticos: los mares y los lagos se contaminan, y la lluvia ácido destruye los bosques y los cultivos.

Una solución es una mezcla homogénea de dos o mas componentes. Para que sea verdaderamente homogénea, el tamaño de las partículas de las sustancias que la forman tiene que ser tan pequeño, como átomos, moléculas ,o iones, con diámetro de Angstroms.

Se debe hacer diferencia entre las sustancias que se disuelven y aquellas en las cuales se produce la disolución.

La sustancia que se disuelve se llama soluto y la sustancia en la cual se produce la disolución se llama disolvente. El soluto es la sustancia que está en menor cantidad en la solución.

De los tres estados de agregación de la materia ( teóricamente cada uno de ellos puede ser soluto o solvente en una solución) existen nueve tipos de soluciones con base en su estado físico

Estado del soluto

Estado del solvente

Estado de la solución

Ejemplos

Gas

Gas

Gas

Aire

Gas

Líquido

Liquido

Agua mineral

Gas

Sólido

Sólido

Hidrógeno en paladio

Líquido

Gas

Gas

No existen ejemplos

Líquido

Liquido

Liquido

Bebidas alcohólicas

Líquido

Sólido

Sólido

Amalgamas (Hg y Au)

Sólido

Gas

Gas

No existen ejemplos

Sólido

Liquido

Liquido

Azúcar o sal en agua

sólido

sólido

sólido

Aleaciones cobre cinc forma bronce

Las soluciones acuosas pueden clasificarse, también según su comportamiento frente a la corriente eléctrica, en soluciones electrolítica y soluciones no electrolíticas.

Una solución es electrolítica cuando conduce la corriente eléctrica y es no electrolítica cuando no la conduce.

Las sustancias que al disolverse en agua forman soluciones conductoras de la electricidad, se llaman electrolitos y aquellas cuyas soluciones no conducen la corriente se llaman no electrolitos.

Los electrolitos pueden disolverse en agua total o parcialmente. Si se disuelven totalmente, se llaman electrolitos fuertes, si solo se disuelven parcialmente, se llaman electrolitos débiles.

Los electrolitos fuertes se ionizan totalmente en el agua, mientras que los electrolitos débiles solo lo hacen parcialmente

SOLUBILIDAD

Es la cantidad máxima de un soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente a una temperatura previamente establecida. Generalmente, la solubilidad de una sustancia se expresa en gramos de soluto por cada 100 gramos de disolvente, por ejemplo a 20 ºC, la cantidad de cloruro de sodio que se puede disolver en 100 g de agua son 36 g; la máxima cantidad de nitrato de plata es 225 g y de permanganato de potasio es de 6,4 g.

Qué significa la siguiente expresión: a 50ºC la solubilidad del bromuro de potasio en 100 gramos de agua es 116 gramos

El término solubilidad ha de entenderse como la cantidad máxima de soluto en un solvente. Así, la expresión significa que al tomar 100 gramos de agua a 50 ºC en ella se disuelven exactamente 116 gramos de bromuro de potasio

Qué significa la expresión: la solubilidad del disolvente orgánico benceno en agua es de 0,22 gramos de soluto por cada 100 gramos de agua

La solubilidad es una propiedad característica de cada sustancia en un determinado solvente. Cualitativamente hablando, un soluto también se describe como insoluble, poco soluble y muy soluble en un solvente dado, para indicar muy aproximadamente la mayor o menor cantidad de soluto que se disuelve en una cantidad dada de este solvente.

EL PROCESO DE SOLUBILIDAD

Cuando un sólido iónico como bromuro de potasio se pone en contacto con el agua , los iones que lo forman se separan en ion potasio y anión cloruro.. Puesto que las moléculas del agua son polares, los cationes potasio son rodeados por los polos negativos del agua y los aniones cloruros son rodeados por los polos positivos. El proceso de orientación de las moléculas alrededor de los iones se llama hidratación..

Para que una sustancia se disuelva en agua, debe ser polar. Recuérdese que el enlace iónico es un extremo del enlace polar y cuando más polar sea una sustancia, más soluble es en agua . En química existe una regla de solubilidad: lo semejante disuelve lo semejante. Esto quiere decir que un solvente polar disuelve solutos polares y un solvente no polar disuelve solutos no polares .

El proceso de solubilidad frecuentemente esta asociado con absorción o emisión de calor. Por tanto, hay procesos de solubilidad exotérmicos y endotérmicos

FACTORES DE SOLUBILIDAD

El factor determinante de la solubilidad es la naturaleza del soluto y del solvente. Además de ello, la temperatura y la presión también influyen en la solubilidad de una sustancia

¨ TEMPERATURA

La temperatura afecta la rapidez y el grado de solubilidad. Al moverse las moléculas del solvente rápidamente, debido al aumento de temperatura, el soluto penetra más fácilmente y en mayor cantidad por entre las moléculas del solvente. Cuando el soluto es una gas, al aumentar la temperatura la solubilidad disminuye, ya que las moléculas del gases se escapan de la solución.

¨ LA PRESIÓN

El efecto de la variación de presión es prácticamente nulo sobre la solubilidad de sólidos y líquidos, pero es grande sobre la solubilidad de los gases. A mayor presión, mayor es la solubilidad de un gas.

Las gaseosas son embotelladas a alta presión. Por eso cuando se destapan, el gas que está disuelto sale produciendo burbujas.

El proceso de solubilidad de un sólido varía también con el tamaño de las partículas disueltas. Cuando más pequeñas sean éstas, mayor es la solubilidad. La agitación durante el proceso facilita la disolución: permite obtener más rápidamente una mezcla homogénea.

CÓMO PUEDEN SER LAS SOLUCIONES?

SOLUCION SATURADA

Se dice que una solución está saturada cuando a una temperatura determinada en una cantidad dada de solvente se tiene disuelta la máxima cantidad de soluto que se pueda disolver. Por ejemplo una solución de bromuro de potasio que tenga disueltos 116 g de KBr en 100 g de agua a 50 ºC es una solución saturada: cualquier exceso de KBr se deposita en el fondo del recipiente

SOLUCION INSATURADA

Cuando a una temperatura determinada en una cantidad dada de solvente se tiene disuelto menos soluto del que se puede disolver en ese solvente, se dice que la solución es insaturada.

En el caso del bromuro de potasio, si en lugar de tener exactamente 116 g en 100 g de agua, tenemos 90 g de KBr, la solución está insaturada

Ejercicios

Dada la siguiente tabla:

soluto

Solubilidad 20 ºC

Solubilidad 60ºC

Cloruro de sodio

36

37,3

Bromuro de potasio

67

85,5

Nitrato de pata

225

525

Sulfato de bario

0,00024

0,00036

Permanganato de potasio

64

22,2

Valores de la solubilidad de algunas sustancias en gramos de soluto en 100 gramos de agua a 20ºC y a 60ºC

¨ diga si las soluciones son saturadas o insaturadas

a.- 37,3 g de cloruro de sodio en 100 g de agua a 60ºC

b.- 100 g de nitrato de plata en 100 g de agua a 20ºC

¨

¨ decida si las siguientes soluciones son saturadas o insaturadas

a.- 30 g de permanganato de potasio en 100 g de agua a 20ºC

b.- 20 g de permanganato de potasio en 100 g de agua a 60ºC

c.- 85,5 g de bromuro de potasio en 100 g de agua a 60ºC

SOLUCIONES SOBRESATURADAS

A pesar de que las concentraciones de una solución está limitada por la solubilidad máxima del soluto, es posible preparar soluciones que contengan disuelta una cantidad mayor de soluto a una temperatura T establecida. Estas soluciones se conocen como sobresaturadas. De esta manera, una solución de bromuro de sodio que contenga disueltos 116,5 g de la sustancia es una solución sobresaturada

La sobresaturación de una solución es un proceso muy cuidadoso, generalmente se realiza por calentamiento.

Mediante este proceso, parte del soluto por encima de la solubilidad máxima se disuelve. Al enfriar lentamente y en reposo la solución hasta la temperatura requerida, se obtiene la solución sobresaturada.

Estas soluciones precipitan soluto al agitarlas o al adicionarles una pequeña cantidad de soluto.-

Ejercicios

¨ A 50ºC se tiene una solución de 116,1 g de KBr en 100 g de agua. Diga si la solución es saturada, sobresaturada o insaturada a esa temperatura.

Anteriormente se ha dicho que la solubilidad máxima de la sustancia es 116 g a esa temperatura. La solución es entonces sobresaturada. Es importante tener en cuenta que el exceso de soluto debe estar disuelto.

¨ Tomando como base la tabla anterior, establecer porque las dos soluciones que se detallan son sobresaturadas:

a.- 36,5 g ce cloruro de sodio en 100 g de agua a 20ºC

b.- 223 g de nitrato de plata en 100 g de agua a 20ºC

El término miscible se usa con frecuencia para indicar que un líquido se disuelve en otro, por ejemplo, el alcohol y el agua.

El término inmiscible ( no miscible), cuando dos líquidos no se disuelven entre sí. Ejemplos agua y aceite.

SOLUCIONES DILUIDAS Y SOLUCIONES CONCENTRADAS

Cuando se trata de comparar cualitativamente varias soluciones del mismo soluto en el mismo solvente, se emplean las expresiones soluciones diluidas y soluciones concentradas para indicar que unas tienen más soluto que otras en la misma cantidad de solvente.

Ejercicios

¨ Ordenar de menor a mayor las siguientes soluciones según la concentración

A.- 0,1 g de permanganato de potasio en 100 de agua a 20ºC

b.- 22 g de permanganato de potasio en 100 de agua a 20ºC

c.- 20g de permanganato de potasio en 100 de agua a 20ºC

d.- 1 g de permanganato de potasio en 100 de agua a 20ºC

Solución: es importante reconocer que se dan diferentes cantidades del mismo soluto para la misma cantidad de agua. Por eso se pueden comparar las soluciones.

El ordenamiento es

0,1 < 1< 20 < 22

-----------------------------------

menos concentradas mas concentradas

¨ Ordenar de menor a mayor las siguientes soluciones según la concentración

a.- 20 g de cloruro de sodio en 100 g de agua a 20ºC

b.- 10 g de cloruro de sodio en 100 g de agua a 20ºC

c.- 31 g de cloruro de sodio en 100 g de agua a 20ºC

FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACION Y SUS UNIDADES

v PORCENTAJE POR PESOS O PESO A PESO, % p/p

Describe la cantidad en gramos de soluto presente s en 100 gramos de solución.

Así una solución 5% de cloruro de sodio en agua tiene 5 gramos de cloruro de sodio y 95 g de agua. En términos generales, es la fracción de masa multiplicada por 100 y se expresa: % de masa = fracción de masa x 100

% de soluto g de soluto g de soluto

= ------ --------------------------- x 100 = -----x 100

g de soluto + g de solvente g de soluc

% de solvente g de solvente g de solvente

= ------ ------------------------- x 100 = ------------- x 100

g de soluto + g de solvente g de solución

Ejercicios:

1.- cuando se evaporan 300 g de una solución de sulfato de cobre, se obtiene un residuo de 25 g de sulfato

a.- cuántos gramos de agua se evaporaron?

b.- cual es el % de soluto por peso en la solución?

c.- cual es el % de solvente?

2.- cuántos gramos de solvente se requieren para preparar una solución 20 % de sulfato cúprico por masa que contenga 80 g de soluto.

v PORCENTAJE PESO A VOLUMEN, % p/v

Es una forma de expresar los gramos de soluto que existen en un volumen de 100 ml.

% de soluto g de soluto

= ------ --------------------------- x 100

ml de solución

Ejercicio:

1.- cual es el % de dextrosa en una solución que contiene 10 g de soluto en 80 ml de solución?

2.- Cual es el porcentaje de una solución de hidróxido de sodio si en 60 ml de ella hay 3 g de hidróxido de potasio?

v PORCENTAJE VOLUMEN A VOLUMEN , % v/v

Se emplea para expresar concentraciones de líquidos y expresa el volumen de un soluto en un volumen de 100 ml de solución.

Por ejemplo, una solución 2% por volumen de alcohol en agua contiene 2 ml de alcohol y 98 ml de agua.

Mililitros de soluto

% volumen = ----------------------------- x 100

Mililitros de solución

Ejercicio:

1.- Cual es el porcentaje volumen a volumen de una solución que contiene 1 mililitro de ácido en 40 mililitros de agua?

2.- Calcule el % de soluto de una solución que contiene 3 ml de etanol en 220 ml de agua.

v PARTES POR MILLÓN, ppm

Cuando se habla de soluciones muy diluidas , los porcentajes resultan inadecuados , por ello se emplean las partes por millón. Este porcentaje significa partes de masa de soluto por millón de partes de masa de solución. Por ejemplo una solución que tiene 4 ppm de flúor, presenta 4 partes de flúor por 1 millón de partes de solución.

Según el estado de agregación:

mg de soluto mg de soluto

ppm = ---------------- ppm = ----------------

kg de solución litro de solución

v MOLARIDAD, M

La molaridad corresponde al número de moles de soluto por cada litro de solución:

Moles de soluto n

M= -------------------- = ------------- n = número de moles

Litro de solución litro de solución

Ejercicios:

1.- Cual es la molaridad de una solución que posee 4 moles de hidróxido de sodio en 3 litros de solución?

2.- Si se tienen 1 a de hidróxido de potasio en 250 ml de solución, cual es su molaridad?

3.- Calcula la molaridad de una solución de ácido clorhídrico que tiene una concentración de 22.4% por masa y una densidad de 1,1 g/ml.

4.- Calcular : a) el número de moles de sal común que hay en 50 ml de solución 2 molar. B) gramos de sal presente en la solución.

5.- Calcular los gramos de ácido clorhídrico presentes en 500ml de una solución 2M del ácido.

v PESO EQUIVALENTE, eq

El concepto de equivalente gramo, peso equivalente o equivalente depende del tipo de reacción que se considere, y se plantea de tal manera que in equivalente de un reactivo se combine exactamente con un equivalente de otro.

Masa molecular

1 equivalente = ------------------- C: valor que depende de la clase de reacción

C

En las reacciones de neutralización, los pesos equivalentes se basan en el hecho de que un protón reacciona en un grupo hidróxilo para producir una molécula de agua.

1 equivalente de una ácido es la cantidad del ácido que libera 1 mol de protones

1 equivalente de una base es la cantidad de esa base que libera 1 mol de grupos hidróxilos

En la ecuación anterior C es el número de moles de protones o hidróxilos que libera un ácido o una base respectivamente.

En una reacción redox, es el número de electrones tomados o liberados por la sustancia y coincide con el número de equivalente para la misma especie.

Ejercicios:

1.- Calcule el peso de un equivalente de permanganato de potasio, en un proceso químico en el cual el Mn pasa del estado de oxidación +7 a +2.

2.- Calcule el peso de un equivalente de ácido clorhídrico.

3.- Calcule el peso de un equivalente de hidróxido de sodio

4.- Calcule el peso de un equivalente de cloruro de sodio

5.- Calcule cuantos equivalentes hay en las siguientes cantidades de sustancia:

a) 50 g ácido nítrico

b) 70 g de hidróxido de potasio

c) 30 g de nitrato de sodio

6.- Calcule cuanto pesa 1 equivalente para el ácido sulfúrico y para hidróxido de calcio

7.- Calcule el número de equivalentes que hay en:

a) 140 g de ácido sulfúrico.

b) 60 g de hidróxido de calcio

c) 140 g de carbonato de calcio

8.- Calcule el número de moles y el de equivalentes gramos que hay en 200 ml de una solución de ácido sulfúrico, cuya concentración es 97% por peso y densidad 1,84 g/ml.

9.- Calcule el número de moles y el de equivalentes que hay en 500 ml de una solución de hidróxido de sodio que tiene una concentración de 12.64% por masa y una densidad de 1,10 g/ml.

v NORMALIDAD, N

Se define como el número de equivalentes gramos de soluto por cada litro de solución.

Número de equivalente gramo de soluto

N = ----------------------------- ----------------

Litro de solución

Si una solución que contenga 1 equivalente gramo de soluto en un litro de solución es 1 normal (1N), una que tenga 2 equivalentes por litro será 2N, si tiene 0,2 equivalentes en un litro, será 0,2N.

Ejercicios:

1.- Cual es la normalidad de una solución de ácido clorhídrico que tiene ,2 equivalentes del ácido en 2 litros de solución?

2.- Calcule la normalidad de una solución de ácido clorhídrico que tiene 2 g de ácido en 250 ml de solución.

3.- E ácido clorhídrico concentrado de laboratorio es una solución que tiene una concentración de 37% por masa y una densidad de 1,19 g/ml. Calcule la normalidad de esta solución

v FRACCION MOLAR, X

Es el cociente entre el número de moles de un componente de una mezcla y e número total de moles de todos los componentes.

En las soluciones de dos componentes, un soluto y un solvente, es:

nº moles soluto

X = ------------------------------------- y

st nº moles soluto + nº moles solvente

nº moles solvente

X = -------------------------------------

sv nº moles soluto + nº moles solvente

La suma de las fracciones molares es igual a 1.

Ejercicios:

1.- Una solución contiene 40 g de cloruro de sodio y 50 gramos de agua. Cuales son las fracciones molares de ambas sustancias?

2.- Calcule la fracción molar del soluto y del solvente en las siguientes soluciones:

a) 10 g de hidróxido de sodio y 70 g de agua

b) b) 0,5 moles de ácido sulfúrico y 2 moles de agua

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