C U R S O : QUÍMICA MENCIÓN MATERIAL N° QM-12

DISOLUCIONES QUÍMICAS

DESTILACIÓN DE SOLUCIONES CONDENSADOR CONDENSADOR

BALÓN SALIDA AGUA FRÍA MECHERO BUNSEN

PINZA

PINZA ENTRADA AGUA FRÍA

DESTILACIÓN DE SOLUCIONES El esquema adjunto, es un sistema de destilación simple utilizado frecuentemente en laboratorios e industrias. La destilación es el procedimiento más utilizado para la separación y purificación de soluciones líquidas. Se fundamenta por la diferencia en los puntos de ebullición de los líquidos a separar y consiste en llevar a ebullición el más volátil, para luego condensarlo (refrigerante) y separarlo de la mezcla. Cuando la diferencia en los puntos de ebullición es pequeña, es poco probable la separación. Se obtiene, en este caso, una mezcla de ambos (mezcla azeotrópica) y la separación no es efectiva, en estas circunstancias se introduce presión al sistema para favorecer la purificación.

DISOLUCIONES MEZCLAS Las mezclas están formadas por varias sustancias, en que sus componentes conservan todas sus propiedades como sustancias separadas; es decir, no se han alterado al formar parte de ella.

DISPERSIONES Mezclando una sustancia con otra, si la primera está fraccionada en pequeñas partículas, diremos que preparamos una dispersión. De acuerdo con el tamaño de las partículas dispersas en el medio dispersante, podemos clasificar las dispersiones en tres categorías: Suspensiones, Coloides y Soluciones.

Suspensiones El tamaño medio de las partículas es mayor a 100 m (1m = 10-6mm). Estas mezclas pueden separarse fácilmente por filtración o centrifugación. Las partículas son visibles a simple vista o al microscopio, ya que, son mezclas heterogéneas. Cuando la materia en suspensión es un líquido como aceite, y sus gotitas son tan pequeñas que pasan por filtro y no se depositan con facilidad, la mezcla es una emulsión.

Coloides El tamaño de las partículas es menor que 100 m, pero mayor que 1 m. Los coloides son sistemas heterogéneos, ya que, sus partículas son visibles a través de un microscopio. Los coloides dispersan la luz y son soluciones opacas. La niebla es un coloide donde la sustancia dispersada (soluto) es un líquido; el agua. La sustancia dispersadora (disolvente) es un gas; el aire. Los coloides están formados por partículas clasificadas como macromoléculas y se denominan micelas o tagmas.

Soluciones El tamaño medio de las partículas es inferior a 1 m. Son mezclas homogéneas entre un soluto y un solvente (disolvente). El soluto es el componente minoritario mientras que el disolvente se encuentra en mayor proporción en masa. Las soluciones se pueden clasificar según el estado de agregación de sus componentes: Así tenemos por ejemplo: SOLUTO

SOLVENTE

GAS LÍQUIDO SÓLIDO

LÍQUIDO SÓLIDO GAS

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(UNA BEBIDA GASEOSA) (MERCURIO EN COBRE) (POLVO MUY FINO EN AIRE)

En general: ESTADO LÍQUIDO

(SOLVENTE)

  

CO2 disuelto en H2O alcohol disuelto en H2O o en éter azúcar disuelto en H2O

gas en líquido: líquido en líquido: sólido en líquido:

ESTADO SÓLIDO

(SOLVENTE)

  

hidrógeno disuelto en Platino o Paladio mercurio disuelto en cobre oro disuelto en plomo

gas en sólido: líquido en sólido: sólido en sólido:

ESTADO GASEOSO

(SOLVENTE)



todas las mezclas de gases (aire por ejemplo)

gas en gas:

SOLUBILIDAD Máxima cantidad de sustancia que puede ser disuelta a una temperatura dada en una cierta cantidad de disolvente con el propósito de formar una solución estable. La solubilidad se puede expresar en g/L o concentración molar ([ ]). Cuando se ha disuelto el máximo de soluto en un volumen de disolvente se dice que la disolución está saturada. Al agregar mayor cantidad de soluto a una disolución saturada el soluto no se disuelve más.

POLARIDAD DE SUSTANCIAS En química se dice que las sustancias polares deben ser solubles en sustancias polares. No es posible disolver un soluto polar en un solvente apolar y viceversa. Un ejemplo: HCl

(g)

+ H2O()   H3O+

(ac)

+ Cl-

(ac)

Al reaccionar con el agua, el cloruro de hidrógeno (HCl gaseoso), debe inicialmente disolverse; ahora, sabemos que HCl es polar y el agua también lo es. Se forma una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl acuoso). Ojo: La gran mayoría de sustancias iónicas se disuelven en sustancias polares, aún cuando sean aparentemente apolares (simétrica).

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SOLUBILIDAD DE GASES EN LÍQUIDOS PRESIÓN La solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión aplicada por el gas sobre el líquido.

Figura: Efecto de la presión sobre la solubilidad de un gas en un líquido. Al aumentar la presión de un gas en un disolvente líquido, las moléculas de gas se aproximan y el número de colisiones por segundo que las moléculas de gas experimentan con la superficie del líquido aumenta. Cuando esto ocurre, la velocidad con que las moléculas de soluto (gas) entran en la solución también se torna mayor, sin que aumente la velocidad con que las moléculas de gas se escapan. Esto provoca un aumento en la solubilidad del soluto gaseoso en el solvente líquido

TEMPERATURA La solubilidad de un gas en un líquido disminuye con un aumento de temperatura. Es por eso que, si calentamos una bebida gaseosa, el gas será expulsado de la mezcla. Por el contrario, si el soluto es un sólido iónico, el aumento de la temperatura provoca un aumento en la solubilidad de éste. En general:

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SOLUBILIDAD DE SÓLIDOS EN LÍQUIDOS En general, la solubilidad de un sólido aumenta con la temperatura y sólo algunas disminuyen su solubilidad.

sustancias

Gramos de soluto por 100 g H2O

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

Temperatura (ºC)

 Note que, en general, la solubilidad aumenta con la temperatura.  A pesar de que el NH3 es un gas, se incluye en el gráfico para hacer hincapié que respecto al aumento de temperatura la solubilidad de éste en 100 gramos de agua disminuye.  Observe una de las curvas de la solubilidad del gráfico anterior, por ejemplo, la de KNO3; a 30º C se disuelven, un máximo de 40 g de KNO 3 en 100 g de H2O. A 40º C, el límite pasa a ser 60 g en los mismos 100 g de H2O.  El sulfato de cerio Ce2(SO4)3 es una de las excepciones. El aumento de temperatura de una solución acuosa de esta sal provoca una disminución de la solubilidad.  Una de las utilidades de las curvas de solubilidad es determinar cual es la sustancia más soluble a una determinada temperatura. Ejemplos: ¿Cuál es la sustancia más soluble en 100 g de H2O: KNO3 o NaNO3? Respuesta:  Bajo los 50ºC, el nitrato de sodio es más soluble que el nitrato de potasio.  A 75ºC, las solubilidades de ambas sales son iguales.  Sobre los 75ºC, el nitrato de potasio pasa a ser más soluble.

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TIPOS DE SOLUCIONES Se considera que una disolución está INSATURADA (no saturada) si la masa de soluto disuelto es menor que la correspondiente a la de saturación (máxima cantidad de soluto disuelto en condiciones de temperatura y presión). En ocasiones la masa de soluto DISUELTO puede ser temporalmente mayor que la correspondiente a la de saturación. Se dice entonces que la solución está SOBRESATURADA. Una solución es SATURADA cuando contiene la máxima cantidad de soluto disuelto en condiciones dadas de temperatura y presión. De acuerdo con el gráfico anterior a 80ºC podemos disolver totalmente 50 gramos de KCl en 100 gramos de agua. También podemos inferir que a OºC, logramos disolver de manera estable 357 g. de sal (NaCl) en 1 litro de agua esta solución está saturada. Soluciones diluidas: Es toda solución que presenta hasta 0,1 equivalente - gramo de soluto por litro de solución. Solución concentrada: Es toda solución que presenta más de 0,1 equivalente-gramo de soluto por litro de solución. En general, podemos tener soluciones:  concentradas y saturadas  concentradas e insaturadas  concentradas y sobresaturadas  diluidas y saturadas  diluidas e insaturadas  diluidas y sobresaturadas

LOS ELECTROLITOS Los compuestos que al disolverse en agua generan iones, permitiendo la conducción de la corriente eléctrica a través de una disolución se denominan ELECTROLITOS. Se conocen 2 tipos generales de electrolitos: Fuerte: disociación 100%, muy solubles y gran conductividad eléctrica. Débiles: disociación M2 V1 < V2 n1 = n2 y como n1 = M1∙V1 y n2 = M2∙V2:

M1∙V1 = M2∙V2

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MEZCLAS DE DISOLUCIONES Consideremos dos soluciones conteniendo los moles n 1 y n2 de un mismo soluto.

V1,d1,n1

V2,d2,n2

VF,dF,nF En la mezcla, adicionamos los moles de soluto y adicionamos los volúmenes. Los volúmenes se suponen aditivos solo cuando las soluciones son diluidas. En estricto rigor, se deben calcular las masas de cada solución con las densidades y sus respectivos volúmenes. Las masas resultantes se suman. Con la densidad (conocida) de la solución final, se calcula el volumen final de la solución. Por lo tanto, la concentración final será: Mf =

n1 + n 2 V1 + V2

o, Mf ∙

Vf = M1 ∙

V 1 + M 2 ∙ V2

Observe que consideramos los volúmenes aditivos. Por eso, las concentraciones son calculadas como “ponderaciones medias” de las soluciones que fueron inicialmente mezcladas.

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PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LA MATERIA Sabemos que el agua congela a 0ºC y hierve a 100ºC a la presión normal de 1 atmósfera, sin embargo, al disolver un poco de sal común en agua, esta congelará 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 igual forma lo realizan otros solutos, siempre y cuando sean no-volátiles. Estos fenómenos son denominados efectos de las Propiedades Coligativas de las Soluciones. Es interesante notar que las intensidades de estos fenómenos dependen sólo del número de partículas (moléculas o iones) que existen en la solución, sin importar la naturaleza de ésta. De este modo, si x moléculas de azúcar disueltas en 1 litro de agua, provocan un aumento de la temperatura de ebullición del agua, de 100ºC a 101ºC, podemos verificar que otras x moléculas o iones de cualquier sustancia provocarán exactamente el mismo efecto. En general se dice que las propiedades coligativas de una disolución dependen de la “colección” de partículas, esto es, del número de éstas en el solvente correspondiente. Las 4 propiedades son: 1. 2. 3. 4.

Disminución de la presión de vapor de un líquido. Aumento de la temperatura de ebullición. Descenso en la temperatura de fusión. Osmosis.

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR DE UN LÍQUIDO Cuando tenemos un líquido en un recipiente abierto, el líquido se evapora continuamente, por tanto, cambia de estado físico. La evidencia es que al cabo de cierto tiempo el recipiente se encontrará seco. En un líquido, todas las partículas (moléculas) tienen gran velocidad, sin embargo, algunas poseen un poco más de energía, lo que les permite vencer las fuerzas de atracción intermoleculares y "escapar" del resto. Este fenómeno se denomina evaporación. Con el pasar del tiempo, evidentemente el recipiente terminará por quedar vacío. Consideremos ahora un líquido dentro de un recipiente cerrado donde, inicialmente, existió vacío (presión = 0). En un comienzo el líquido se evapora rápidamente y después se evapora con menor velocidad. Pasado un tiempo el líquido "cesa" (al menos aparentemente) de evaporarse. Las partículas escapan del líquido y pasan a la fase de vapor, y al estar cerrado el recipiente, las partículas no tienen por donde escapar. En la fase gaseosa, las partículas se mueven a alta velocidad, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. Algunas moléculas retornan a la fase líquida, a partir de un cierto instante. Con ello el número de partículas que "escapan" se iguala al número de partículas que "retorna" por unidad de tiempo. A partir de ese instante la evaporación (aparentemente) se detiene. Sin embargo lo correcto es que la velocidad de evaporación del líquido se igualó con la velocidad de condensación de sus vapores.

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En este instante, diremos que se estableció un Equilibrio Dinámico entre el líquido y sus vapores, diremos también que los vapores son saturados y que se consiguió la presión máxima de vapor del líquido. Conviene definir la Presión máxima de vapor de un líquido como la presión ejercida 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, no con un líquido puro, sino que con una solución notaríamos que la presión máxima de vapor ahora es menor, debido a la adición de un soluto no volátil. Pareciera como si las moléculas de soluto "estorbasen" la evaporación de las moléculas de solvente, disminuyendo la evaporación de la solución y, consecuentemente, disminuyendo la presión máxima de vapor de la solución. En una solución diluida de un soluto no-volátil y no-iónico, la disminución de la presión máxima de la solución es igual al producto de la presión máxima de vapor del solvente puro y la fracción molar del soluto (ley de Raoult).

AUMENTO EN LA TEMPERATURA DE EBULLICIÓN Ya dijimos que, mientras el agua hierve a 100ºC, una solución, por ejemplo, de sacarosa en agua hervirá sobre los 100ºC, a la presión de 1 atmósfera. La elevación de la temperatura 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 como vaporización del líquido, y puede ocurrir de dos maneras: 

por evaporación, que es una vaporización lenta y que ocurre solamente en la superficie del líquido.



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

Podemos decir que un líquido entra en ebullición cuando la presión máxima de sus vapores (P o) se iguala con la presión externa (presión atmosférica). Al disolver un soluto no-volátil en un líquido, la presión máxima de vapor disminuye (la solución emite menos vapores) por lo tanto, se necesitará mayor temperatura para hervir la solución. La elevación de la temperatura de ebullición de una solución (  te) es la diferencia entre la temperatura de inicio de la ebullición de la solución (t) y la temperatura de ebullición del solvente puro (to), ambos a la misma presión.

 te = t - to

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DESCENSO EN LA TEMPERATURA DE FUSIÓN La temperatura de fusión es aquella en donde la fase sólida de una sustancia se transforma en fase líquida, o viceversa. Así, mientras el agua pura congela a 0ºC a presión normal, una solución de sacarosa en agua congelará bajo 0ºC, en las mismas condiciones. Para lograr la congelación es necesario disminuir de manera gradual la temperatura de la sustancia. Mientras esto ocurre, la energía cinética de las partículas disminuye. Cuando se inicia la congelación, las moléculas se ordenan en una estructura definida y compacta, así comienza a conformarse la fase sólida. Cuando se establece el equilibrio entre la fase sólida y líquida, la temperatura del sistema se denomina “temperatura de congelación”. Si existe algún soluto en el seno del líquido, éste provoca una disminución de la rapidez con que las moléculas de líquido pasan a la fase sólida. Como respuesta al fenómeno y para reestablecer nuevamente 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 de congelación 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 y en algún filtro poroso como el papel celofán. La presión osmótica se produce por la tendencia de las moléculas de agua a pasar desde una zona de menor concentración a otra de mayor concentración (contra un gradiente), con el propósito de igualar ambos lados de la membrana. Pues bien, la presión osmótica es el valor que alcanza la presión hidrostática de la disolución originalmente más concentrada en el momento en que se interrumpe el paso de moléculas de agua hacia su seno. Se sabe que el comportamiento de las partículas de un soluto en una solución diluida es muy parecido al de los gases, ya que, ocupan siempre todo el volumen de la disolución y presentan una interacción entre partículas casi nula por estar rodeadas por el solvente. Con lo anterior se expresa la presión osmótica de una solución diluida con una ecuación parecida a la de los gases ideales.

½ hipotónico

½ hipertónico

   V = n1 · R · T o  ·V =

m1  R  T M1

Donde:

 V T n1 R m1

= = = = = =

presión osmótica de la solución (atmósferas) volumen de la solución (litros) temperatura absoluta de la solución (K) número de moles de soluto constante universal de los gases ideales = 0,082atm·L/mol·K masa del soluto

M1

=

masa molar del soluto

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TEST EVALUACIÓN MÓDULO 12

Para la resolución de algunos ejercicios, se adjunta una parte de la Tabla Periódica de los Elementos. 1

H

Número atómico

1,0

2

He 4,0

Masa atómica

3

4

5

6

7

8

9

10

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

6,9

9,0

10,8

12,0

14,0

16,0

19,0

20,2

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

23,0

24,3

27,0

28,1

31,0

32,0

35,5

39,9

19

20

K

Ca

39,1

40,0

1. ¿Cuál(es) de los siguientes cambios físicos es (son) exotérmicos (ocurren con liberación de energía)? I) II) III) A) B) C) D) E)

Solidificación Condensación Evaporación

Sólo II. Sólo III. Sólo I y II. Sólo I y III. I, II y III.

2. Un ejemplo de sistema coloidal es el (la) A) B) C) D) E)

bronce. niebla. salmuera. agua de mar. aceite en agua.

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3. En solución acuosa 1 mol de hidróxido de magnesio Mg(OH)2 se disocia generando Mg+2 A) B) C) D) E)

OH-

1 mol 2 moles 2 moles 1 mol 0,5 moles

1 2 1 2 1

mol moles mol moles mol

4. En general cuando una sustancia es polar es soluble en agua hasta cierto límite, entonces, ¿cuál de las siguientes sustancias es soluble en agua? A) B) C) D) E)

CH4 C6H6 C2H4 C2H2 CH3Cl

5. A la temperatura de 21ºC (ambiente) ¿cuál(es) de las siguientes especies químicas es (son) gas(es)? I) II) III) A) B) C) D) E)

Cl2 CO2 NaOH

Sólo I. Sólo III. Sólo I y II. Sólo II y III. I, II y III.

6. Solubilidad es la capacidad que permite que un solvente disuelva una determinada cantidad de soluto. ¿Cuál(es) de las siguientes variables modifica(n) siempre esta capacidad? I) II) III) A) B) C) D) E)

Sólo Sólo Sólo Sólo Sólo

Presión. Temperatura. Volumen de solvente.

I. II. III. I y III. II y III.

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7. La adición de un soluto sólido NO volátil a un solvente puro, modifica varias propiedades, sin embargo, jamás variará en el solvente la (el) A) B) C) D) E)

presión osmótica. punto de fusión. presión de vapor. masa molar. temperatura de ebullición.

8. Una mezcla homogénea líquida de glicerina – agua puede separarse mediante A) B) C) D) E)

cromatografía. centrifugación. destilación. filtración. precipitación.

9. En 100 gramos de una solución acuosa de concentración 10%P/P siempre hay A) B) C) D) E)

10 mililitros de soluto. 1 gramo de soluto. 100 mililitros de solvente. 90 gramos de solvente. 9 moles de soluto.

10. Si a una salmuera (solución de agua y NaCl) se le adicionan 10 gramos extra de soluto ocurre un aumento en la I) II) III)

concentración de la solución. densidad de la solución. masa de soluto NaCl.

De las anteriores es (son) correcta(s) A) B) C) D) E)

sólo sólo sólo sólo I, II

I. II. III. II y III. y III.

11. En 2 litros de solución de NaOH de concentración 2M debe haber A) B) C) D) E)

1 mol de soluto. 2 moles de soluto. 4 moles de soluto. 0,2 moles de soluto. 0,4 moles de soluto.

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12. Para una solución acuosa se tienen los siguientes datos   

presenta una concentración 20%P/P su densidad exacta es 1,2 g/mL la masa molar del soluto es 40 g/mol

Considerando lo anterior, se infiere que la concentración molar para la solución debe ser A) B) C) D) E)

2 3 4 5 6

M M M M M

13. Cuando a 40 mL de una solución acuosa de concentración 1M se le adicionan 60 mL de agua, manteniendo constante la temperatura, la nueva concentración de la solución, luego de la dilución será A) B) C) D) E)

0,6 M 0,4 M 0,2 M 0,1 M 0,05 M

14. El siguiente esquema ilustra la mezcla de 2 soluciones de concentración y volúmenes distintos:

3

2 1

+

=

Volumen = 1L

Volumen = 3L

Concentración = 0,2M

Concentración = 0,1M

La concentración en el vaso 3 una vez efectuada la mezcla será A) B) C) D) E)

1/8 1/4 1/2 1/3 1/6

M M M M M

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Volumen = 4L

15. En la siguiente gráfica se relaciona la Temperatura y la Solubilidad de algunas sales disueltas en una cantidad fija de agua

Del análisis de la gráfica se deduce que 

A 0ºC NaCl es la más soluble de las sales.



KNO3 es la sal más soluble de todas las sales.



A 20ºC NiCl2·6H2O es la sal más soluble de la gráfica.



Con el aumento de la temperatura la solubilidad del Ce2(SO4)3·9H2O disminuye.



Para cualquier valor de temperatura por debajo de los 70ºC NaCl es más soluble en agua que KClO3

¿Cuántas de las opciones anteriores son correctas? A) B) C) D) E)

1 2 3 4 5

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