6. DISOLUCIONES 6.1. Generalidades Se entiende por disolución toda mezcla homogénea de dos o más componentes en proporción variable. Las disoluciones objeto de nuestro estudio serán binarias, en las que un cuerpo (soluto) se dispersa de una manera homogénea en el seno de otro componente (disolvente). Estas disoluciones binarias se pueden presentar en los siguientes tipos, según el estado de la materia de soluto y disolvente: Estado del soluto Sólido en

Líquido en

Gas en

Estado del disolvente Líquido Sólido Gas Líquido Sólido Gas Líquido Sólido Gas

Estado resultante de la disolución Líquido Sólido Gaseoso Líquido Sólido Gaseoso Líquido Sólido Gaseoso

Ejemplo NaCl en agua; agua de mar. Oro de 18 kilates (Cu y Au). Polvo en aire. Alcohol comercial (etanol y agua). Hg y Cu (amalgama). Aire húmedo, niebla. Amoníaco comercial (NH3 en agua). Hidrógeno en platino. Aire.

6.2. Formas de expresar la concentración La concentración de una disolución viene dada por la proporción entre sus componentes (soluto y disolvente) o entre el soluto y la disolución. Esta relación se puede establecer desde el punto de vista cualitativo o cuantitativo y, dentro de esto último tomar como base de referencia la masa o el volumen. Las diversas formas de expresión las esquematizamos en el siguiente cuadro:

Formas de expresar la concentración de las disoluciones

cualitativamente

Diluida Concentrada Saturada Sobresaturada

% en peso Fracción molar (χ) molalidad (m) cuantitativamente % en volumen Gramos/Litros (g/L) Referido a volumen Molaridad (M) Normalidad (N) Referido a masa

6.2.1. De forma cualitativa •

Disolución diluida: Cuando la cantidad de soluto disuelta es pequeña en relación con la cantidad de disolvente.

•

Disolución concentrada: Disolución que contiene gran cantidad de soluto respecto a la de disolvente, sin llegar al límite de saturación.

•

Disolución saturada: Cuando el disolvente no admite ya más cantidad de soluto, a esa temperatura.

•

Disolución sobresaturada: Es aquella que contiene más sustancia disuelta que la que le correspondería en relación a la temperatura. Por evaporación o adición de cristales de soluto, puede producirse una cristalización, debido al exceso de soluto.

6.2.2. De forma cuantitativa Para la mejor comprensión de los conceptos, lo haremos con un ejemplo: Se disuelven 5 g de HCl en 35 g de agua. Sabiendo que la densidad de la disolución es de 1,060 kg/dm3, calcular la concentración de la disolución en las diversas formas de expresarla. En primer lugar anotamos los datos distinguiendo los que se refieran al soluto (s), disolvente (d) y disolución (D): soluto (HCl) : ms = 5 g disolvente (H2O) : md = 35 g DISOLUCIÓN : mD = 40 g ; dD = 1,060 kg/dm3 •

Tanto por ciento en peso (% en peso): Es la masa de sustancia disuelta (gramos de soluto) por cada 100 g de disolución.

Si establecemos la proporción masa de soluto (ms) masa Disolución (mD)

=

% peso ; % peso = 100

masa de soluto (ms) X 100 masa Disolución (mD)

En este ejemplo: 5 g de soluto % peso 5 g de soluto = ; % peso = X 100 40 g Disolución 100 40 g Disolución

= 12,5

La concentración es del 12,5 % en peso •

Fracción molar del soluto (χs): Es la proporción entre los moles de soluto (ns) y los moles de disolución (nD = ns + nd). Un concepto similar, sería la fracción molar del disolvente χd ( nd/nD).

El cálculo es simple:

χs =

nº de moles de soluto (ns) nº de moles de Disolución (ns + nd)

Para ello, deberemos conocer o calcular los moles de soluto y disolvente: nHCl = nH2O =

5g 36,5 g/mol 35 g 18 g/mol

= 0,14 = 1,94

χs =

0,14 = 0,067 2,08

moles totales Disolución (nHCl + nH2O) = 2,08 La concentración es: •

χs =0,067

molalidad (m): Es la proporción entre los moles de soluto y los kg de disolvente m=

nº de moles de soluto (ns) Kg de disolvente

En nuestro caso tenemos 0,14 moles de HCl (según acabamos de calcular) y 35 g de agua (disolvente) que son 0,035 kg de H2O. Por tanto la molalidad será: m=

0,14 moles de soluto (HCl) =4 0,035 kg de disolvente (H2O) La concentración es 4 m

•

Tanto por ciento en volumen (% en volumen): Referido a conjuntos líquidos, se define como los cm3 de soluto contenidos en cada 100 cm3 de disolución.

Se trata del mismo concepto que el porcentaje en peso y sería la proporción referida a 100 cm3 de disolución. Para disoluciones muy diluidas se puede considerar como el número de gramos de soluto por cada 100 cm3 de disolución. •

Gramos / Litros (g/L): Son los gramos de soluto disueltos por cada litro de disolución.

Por el enunciado del ejercicio no sabemos el volumen de disolución concreto que tenemos, pero si aplicamos el concepto de densidad podremos afirmar que cada litro de disolución tiene una masa de 1,060 kg (dDisolución= 1,060 kg/dm3). Para calcular la masa de soluto en 1 L de disolución sabiendo que mDisolución = 1060 g utilizaremos el concepto de % en peso (hemos calculado antes que es el 12,5 %) que relaciona a ambas masas. Tenemos 12,5 g de soluto en Habrá x en = Cada 100 g de Disolución 1060 g de Disolución 12,5 g HCl · 1060 g Disolución x= = 132,5 g de HCl 100 g Disolución Como estos cálculos son para 1 L , diremos que La concentración es 132,5 g/L

•

Molaridad: Es la proporción del número de moles de soluto (ns) por cada litro de disolución. M=

nº de moles de soluto (ns) en cada Litro Disolución

En nuestro caso, acabamos de calcular que en un litro de disolución hay 132,5 g de soluto (HCl), por lo que si calculamos el número de moles de soluto obtendremos la Molaridad. ns=

masa de soluto (en gramos) Masa molecular del soluto

M=

nHCl =

132,5 g de HCl = 3,63 moles de HCl 36,5 g/mol de HCl

3,63 moles de HCl = 3,63 moles/L 1 L de Disolución La concentración es 3,63 M

•

Normalidad: Es la proporción del número de equivalentes de soluto nºeq por cada litro de disolución.

Es un concepto equivalente al de Molaridad sólo que referido a los equivalentes N=

nºeq(soluto) =

masa de soluto (en gramos) Peso equivalente del soluto

Sustancia Ácidos Hidróxidos Sales

Peq =

N=

nº de equivalentes de soluto (neq) en cada Litro Disolución

36,5 g/mol 1 eq/mol

Peq =

Masa molecular “valencia”

La “valencia” viene dada por Nº de hidrógenos Nº de grupos OH Subíndice del metal multiplicado por su estado de oxidación

nºeq(soluto) =

= 36,5 g/eq

3,65 eq de HCl 1 L de Disolución

= 36,5 eq/L

132,5 g de HCl 36,5 g/eq

= 3,63 eq

La concentración es 3,63 N

¿Quiere esto decir que la Normalidad tendrá siempre el mismo valor que la Molaridad? Evidentemente que no, aunque en este caso sea así porque la “valencia” es uno y se puede demostrar que la relación entre Molaridad y Normalidad es: M · “valencia” = N