UNIDAD III SOLUCIONESLas soluciones o disoluciones son mezclas homogneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregacin. La concentracin de una solucin constituye una de sus principales caractersticas. La separacin de un sistema material en los componentes que lo forman puede llevarse a cabo por mtodos fsicos o por mtodos qumicos. Los primeros incluyen una serie de operaciones tales como filtracin, destilacin o centrifugacin, en las cuales no se produce ninguna alteracin en la naturaleza de las sustancias. Los segundos, sin embargo, llevan consigo cambios qumicos; la materia base sufre transformaciones que afectan a su naturaleza, por lo que una vez que se establece la separacin, la simple reunin de los componentes no reproduce la sustancia original. Las mezclas son sistemas materiales que pueden fraccionarse o separarse en sus distintos componentes por mtodos fsicos. En cierto tipo de mezclas la materia se distribuye uniformemente por todo el volumen constituyendo un sistema homogneo. Cuando una sustancia slida se mezcla con un lquido de tal forma que no puede distinguirse de l, se dice que la sustancia ha sido disuelta por el lquido. A la mezcla homognea as formada se la denomina solucin o disolucin. En este caso la sustancia slida recibe el nombre de soluto y el lquido se denomina disolvente. La nocin de solucin puede generalizarse e incluir la de gases en gases, gases en lquidos, lquidos en lquidos o slidos en slidos. En general, el soluto es la sustancia que se encuentra en menor proporcin en la disolucin y el disolvente es la que se encuentra en mayor proporcin o est en estado lquido; pero habitualmente se considera que el disolvente es el agua si est presente en la solucin importar su proporcin. Cuando dos sustancias lquidas pueden dar lugar a mezclas homogneas o soluciones, se dice que son miscibles. Una parte homognea de un sistema se denomina fase. Las soluciones, al igual que las sustancias puras en un estado de agregacin determinado, se consideran formadas por una nica fase. COMPOSICIN DE UNA SOLUCIONES La composicin o concentracin de una solucin es la cantidad de soluto disuelta en una cantidad unidad de disolvente o de disolucin. Cumplndose siempre que la masa total de solucin es igual a la suma de las masas de soluto y solvente1. masa de solucin = masa de soluto + masa de solvente en smbolos: m sc = m st + m sv

Existen diferentes formas d expresar la concentracin de una disolucin. Las que se emplean con mayor frecuencia suponen el comparar la cantidad de soluto con la cantidad total de disolucin, ya sea en trminos de masas, ya sea en trminos de masa a volumen o incluso de volumen a volumen, si todos los componentes son lquidos. En este grupo se incluyen las siguientes: Molaridad: Es la forma ms frecuente de expresar la concentracin de las disoluciones en qumica. Indica el nmero de moles de soluto disueltos por cada litro de solucin; se representa por la letra M. Por ejemplo: una disolucin 1 M (se lee 1 molar) contendr un mol de soluto por litro de solucin una 0,5 M contendr medio mol de soluto por litro de solucin, etc. La molaridad se puede calcular: masa de soluto / masa molar de soluto molaridad = volumen de solucin en litros Indica el nmero de moles de soluto disueltos por cada kilogramo de solvente; se representa por la letra m. Por ejemplo: una disolucin 1 m (se lee 1 molal) contendr un mol de soluto por kilogramo de solvente. . La molaridad se puede calcular: masa de soluto / masa molar de soluto molalidad = masa de solvente en kilogramos

Molalidad:

1

Es importante recordar que slo podemos sumar masas porque los volmenes no son aditivos.

1

UNIDAD IIIPorcentaje: Expresa la cantidad de soluto disuelta por cada cien gramos o mililitro de solucin. Esto origina distintos tipos de porcentaje, por ejemplo: Porcentaje en masa o % m/m : Se define como la masa en gramos de soluto por cada 100 g de solucin. Se puede calcular: % m/m = masa de soluto en gramos x 100 masa de solucin en gramos Porcentaje en masa en volumen o % m/V : Se define como la masa en gramos de soluto por cada 100 cm3 de solucin. Se puede calcular: masa de soluto en gramos % m/V = volumen de solucin en cm3 x 100 Porcentaje en volumen o % V/V : Se define como el volumen de soluto por cada 100 cm3 de solucin. Se puede calcular: volumen de soluto en cm3 % V/V = volumen de solucin en cm3 x 100 Partes por milln: Es la forma de expresar la concentracin de las soluciones cuando la cantidad de soluto presente es muy pequea.. Indica la cantidad partes de soluto disueltas en un milln de partes de solucin. Por ejemplo: una solucin 3 ppm contendr 3 g de soluto en 1 000 kg de solucin o 3 mg de soluto en 1 kg de solucin o 3 mg de soluto en 1 000 L de solucin. Se puede calcular: masa de soluto en gramos ppm = x 1 000 000 masas de solucin en gramos

PROBLEMA TIPO

ENUNCIADO:

Se dispone de 15 g de alcohol etlico y 310 g de agua. Calcula: a) masa de solucin formada, b) concentracin en % m/m , c) concentracin molal de la solucin formada, d) concentracin en % m/V, sabiendo que la densidad de la solucin es 1,10 g/cm3, e) concentracin molar de la misma.

Paso 0:

Lee atentamente el enunciado y repite la lectura tantas veces como sea necesario hasta comprender prcticamente el fenmeno qumico que se describe en l. Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el primer tem del problema: Item a): Incgnita masa de solucin Datos: masa de soluto, st (alcohol etlico, CH3CH2OH): 15 g masa de solvente, sv (agua, H2O): 310 g

Paso 1:

Paso 2:

Para calcular la masa de solucin plantea la ecuacin: m sc = m st + m sv m sc = 15 g + 310 g = 325 g

2

UNIDAD IIIPaso 3: Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el segundo tem del problema: Item b): Incgnita % /m Datos: masa de soluto, st (alcohol etlico, CH3CH2OH): 15 g masa de solvente, sv (agua, H2O): 310 gm m

Paso 4: Recuerda la definicin de %

/m

% m/m ----> x g st / 100 g scEn el paso 2 se calcul la masa de solucin: 325 g. Entonces, sabiendo que: 325 g sc ------------ 15 g st 100 g sc ------------ x = 4,61 g st => 4,61 % m/m

Paso 5: Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el tercer tem del problema: Item c): Incgnita molalidad Datos: masa de soluto, st (alcohol etlico, CH3CH2OH): 15 g masa de solvente, sv (agua, H2O): 310 g

Paso 6: Recuerda la definicin de molalidad:

m

------->

x mol st / 1 kg sv

Primero se debe calcular el nmero de moles de soluto presentes: Mr CH3CH2OH = 46 entonces como n = masa / Mr es n = 15 g / 46 = 0,326 mol st (presentes en 310 g de sv) Por lo tanto: 310 g sv ------------ 0,326 mol st 1 kg = 1000 g sv -----------x = 1,05 g st => 1,05 m

Paso 7: Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el cuarto tem del problema: Item d): Incgnita % m/V Datos: masa de soluto, st (alcohol etlico, CH3CH2OH): 15 g masa de solvente, sv (agua, H2O): 310 g densidad de la solucin: 1,10 g/cm3 Paso 8: Recuerda la definicin de % m/V: % m/V------->

x g st / 100 cm3 sc

En el paso 2 se calcul la masa de solucin. Entonces, con el dato de la densidad de la misma, se puede calcular el volumen de solucin: d sc = m sc / V sc => V sc = m sc / d sc => V sc = 325 g / 1,10 g/cm3 = 295,45 cm3 Con el dato del volumen obtenido puedes calcular la concentracin: 295,45 cm3 sc ------------ 15 g st 100 cm3 sc ------------ x = 5,07 g st => 5,07 % m/V

3

UNIDAD IIIPaso 9: Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el ltimo tem del problema: Item e): Incgnita molaridad masa de soluto, st (alcohol etlico, CH3CH2OH): 15 g Datos: masa de solvente, sv (agua, H2O): 310 g densidad de la solucin: 1,10 g/cm3

Paso 10: Recuerda la definicin de molaridad: M -------> x mol st / 1 dm3 sc

En el paso 6 ya se calcul el nmero de moles de soluto y en el paso 8 el volumen de la solucin. Por lo tanto: 295,45 cm3 sc -------- 0,326 mol st 1 dm3 = 1000 cm3 sc -------x = 1,10 mol st => 1,10 M

Respuestas:

a) b) c) d) e)

325 g de solucin 4,61 % m/m 1,05 molal 5,07 %m/V 1,10 M

1) Calcula la concentracin en porcentaje en masa (% m/m) de una solucin que contiene: a) 10 g de soluto en 1 kg de solucin. b) 5 g de soluto en 1 L de agua. c) 3 mol de NaOH en 500 g de solucin. d) 0,5 mg de glucosa en 100 cm3 de agua. 2) Se tiene una solucin acuosa de glucosa al 20 % m/m. Calcula: a) la masa de soluto que se encuentra en 400 g de solucin. b) la masa de soluto que se encuentra en 400 g de solvente. 3) En la etiqueta de una conocida marca de agua mineral podemos leer la siguiente informacin: CATIONES: calcio | = 23,20 ppm magnesio = 22,89 ppm sodio = 272 ppm potasio = 7,20 ppm Expresa las concentraciones de los iones en % m/V y en molaridad. Considera que la densidad del agua mineral es de 1,0 g/cm3. 4) Calcula la molaridad de las siguientes soluciones: a) 100 g de NaCl en 500 cm3 de solucin. b) una solucin al 98 % m/m de H2SO4 (densidad de la solucin = 1,7 g/ cm3 ) c) una solucin al 63 % m/m de HNO3 (densidad de la solucin = 1,15 g/ cm3 ) 5) Calcula el volumen de solucin al 0,1 M que se puede preparar con: a) 30 g de NaOH. b) 15 mg de NaCl. 6) Una muestra de agua de mar contiene 15,0 g de NaCl en 300 g de agua. Expresa su concentracin en: a) g de soluto / 100 g de agua. b) % m/m c) molalidad. 7) Indica si las afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifica la respuesta.

4

UNIDAD IIIa) Un recipiente que contiene una solucin 2 M de sacarosa siempre tiene mayor masa de soluto que otro que contiene una solucin 1 M de sacarosa. b) Un recipiente que contiene 1 L de una solucin acuosa 0,5 M siempre tiene el doble de la masa de soluto que otro recipiente que contiene 1 l de una solucin acuosa 0,25 M del mismo soluto. c) Decir que una solucin tiene densidad = 1,69 g/ cm3 significa que 1,085 g de soluto ocupan un volumen de 1000 cm3. d) Al evaporar parte del solvente en una disolucin de un soluto no voltil , disminuye la concentracin. e) Si se tiene una solucin 1,00 M de NaCl, para obtener una solucin 0,50 M deben agregarse 500 cm3 de solvente. 8) A partir de una solucin acuosa concentrada de H2SO4 (96 % m/m, densidad = 1,84 g/ cm3 ) se deben preparar varias disoluciones. Calcula qu volumen de dicha solucin se requiere en cada caso. a) 1,00 dm3 de solucin 1,00 M. b) 10,0 L de solucin 1,00 M. c) 500 mL de solucin 6,00 M. 9) Para que los alumnos de 4 ao realicen una prctica de qumica el ayudante de laboratorio prepar 500 g de una solucin acuosa de NaNO3 cuya densidad es 1,25g/ml . Si la concentracin de cationes Na+ en la solucin es de 70 g/l, responde: a) Qu masa de soluto pes para preparar la solucin? b) Qu masa de agua utiliz? c) Cul sera la concentracin de cationes Na+ expresada en % m/m? d) Cul sera la concentracin de cationes Na+ expresada en %m/v? Una bebida cola tiene una concentracin igual a 0,05 % m/V en cido ortofosfrico (empleado como acidulante). Calcula qu volumen de dicho cido comercial (concentracin 85 % m/m , densidad = 1,69 g/cm3) se requiere para elaborar 1 milln de litros de bebida cola.

10)

SOLUBILIDAD

Las sustancias no se disuelven en igual medida en un mismo solvente. Con el fin de poder comparar la capacidad que tiene un solvente para disolver un producto dado, se utiliza una magnitud que recibe el nombre de solubilidad. La capacidad de una determinada cantidad de lquido para disolver una sustancia slida no es ilimitada. Aadiendo soluto a un volumen dado de solvente se llega a un punto a partir del cual la solucin no admite ms soluto (un exceso de soluto se depositara en el fondo del recipiente). Se dice entonces que dicha solucin est saturada. Pues bien, la solubilidad de una sustancia respecto de un solvente determinado es la concentracin que corresponde al estado de saturacin a una temperatura dada. El trmino solubilidad se utiliza tanto para designar al fenmeno cualitativo del proceso de disolucin como para expresar cuantitativamente la concentracin de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, as como de la temperatura y la presin del sistema. Muchas veces la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura; en otros, sin embargo, la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. En el grfico siguiente se puede observar la solubilidad de algunas sales a distintas temperaturas:

5

UNIDAD IIISOLUBILIDAD g sal/100 mL agua220 200 180 160 140 g sal 120 100 80 60 40 20 0 10 20 30 40 60 80 90temperatura C

cloruro de sodio clorato de potasio nitrato de potasio seleniato de cadmio

Clasificacin de las soluciones

por su estado de agregacin slidas slido en slido: aleaciones como zinc en estao (latn); gas en slido: hidrgeno en paladio; lquido en slido: mercurio en plata (amalgama). No saturada:

por su concentracin

Es aquella en donde la fase dispersa y la dispersante no estn en equilibrio a una temperatura dada; es decir, ellas pueden admitir ms soluto hasta alcanzar su grado de saturacin. Ej.: a 0 C 100g de agua disuelven 37,5g NaCl, es decir, a la temperatura dada, una disolucin que contengan 20g NaCl en 100g de agua, es no saturada. Saturada: En esta disolucin hay un equilibrio entre la fase dispersa y el medio dispersante, ya que a la temperatura que se tome en consideracin, el solvente no es capaz de disolver ms soluto. Ej.: una disolucin acuosa saturada de NaCl es aquella que contiene 37,5g disueltos en 100g de agua 0 C. Sobresaturada: Representa un tipo de disolucin inestable, ya que presenta disuelto ms soluto que el permitido para la temperatura dada. Para preparar este tipo de disolucin se agrega soluto en exceso, a elevada temperatura y luego se enfra el sistema lentamente. Estas disolucin es inestable, ya que al aadir un cristal muy pequeo del soluto, el exceso existente precipita; de igual manera sucede con un cambio brusco de temperatura.

lquidas lquido en lquido: alcohol en agua; slido en lquido: sal en agua (salmuera); gas en lquido: oxgeno en agua

gaseosas gas en gas: oxgeno en nitrgeno; lquido en gas: nieblas slido en gas: humos

PROBLEMA TIPO

ENUNCIADO:

a)

Calcula la masa de NaCl necesaria para preparar 500 g de una solucin saturada a 20 C. b) Calcula la masa de dicha sal que debe agregarse para que la solucin contine estando saturada cuando se la calienta a 60 C. Datos: solubilidad NaCl a 20 C: 36,0 g st / 100 g agua solubilidad NaCl a 60 C: 37,3 g st / 100 g agua

6

UNIDAD IIIPaso 0: Lee atentamente el enunciado y repite la lectura tantas veces como sea necesario hasta comprender prcticamente el fenmeno qumico que se describe en l. Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el primer tem del problema: Item a): Incgnita masa de soluto Datos: soluto: NaCl solubilidad a 20 C: 36,0 g st / 100 g agua

Paso 1:

Paso 2:

Primero calcula la masa de solucin saturada a 20 C: m sc = m st + m sv = 36,0 g + 100 g sv = 136,0 g sc Ahora se calcula la masa de st necesaria para preparar 500 g de solucin saturada a 20 C: 136,0 g sc ------------ 36,0 g st 500 g sc ----------x = 132,353 g NaCl a 20 C

Paso 3: Escribe el/los datos y la incgnita que se plantea en el segundo tem del problema: Item b): Incgnita masa de soluto que debe agregarse Datos: soluto: NaCl solubilidad a 60 C: 37,3 g st / 100 g agua

Paso 4: Como la solubilidad del NaCl aumenta con la temperatura, la solucin saturada a 20 C al calentarla hasta 60 C se transformar en una no saturada. Para obtener una solucin saturada a 60 C debemos agregar soluto, y por lo tanto aumentar la masa de solucin, por esta razn al calentar la solucin lo nico que se mantendr constante ser la masa de solvente. Clculo masa de sv: m sv = m sc 20C - m st 20C = 500 g sc - 132,353 g st = 367,647 g sv solubilidad a 60 C: 100 g sv --------- 37,3 g st 367,647 g sv --------x = 137,132 g st

Paso 5: Calcula la masa de sal que deber agregarse para que la solucin est saturada a 60 C: masa st a 60 C masa st a 20 C ------------------ 137,32 g ------------------ 132,353 g

masa st deber agregarse ----------- 4,479 g

Respuestas:

a) Para preparar 500 g de solucin saturada a 20 C se necesitan 132,353 g de NaCl. b) Para que la solucin saturada a 20 C se mantenga saturada a 60 C, deber agregarse 4,479 g de NaCl.

7

UNIDAD IIITABLA DE SOLUBILIDAD EN AGUA EN FUNCION DE LA TEMPERATURA: (en gramos de soluto por cada 100 g de agua) TEMPERATURA (C) SUSTANCIA cloruro de sodio dicromato de potasio bicarbonato de sodio yoduro de estao nitrato de plata dixido de carbono # sulfato de cerio dixido de azufre # # a presin normal 0 35,7 5 6,9 122 0,33 15,9 22,8 20 36,0 13,1 9,6 1,0 222 0,17 8,7 11,3 40 36,6 29,2 12,7 1,4 376 0,10 5,6 5,4 60 37,3 50,5 16,4 2,1 525 0,06 3,9 80 38,4 73,0 3,0 669

11)

Observando los datos de la solubilidad en agua del dicromato de potasio en funcin de la temperatura: a) Grafica la curva de solubilidad del K2Cr2O7 b) A 20 C se prepara una solucin con 2,00 g de K2Cr2O7 y 50,0 g de agua. Cunto K2Cr2O7 se le debe agregar para obtener una solucin saturada a esa misma temperatura? c) Se dispone de 570 g de una solucin saturada de K2Cr2O7 a 60 C. Qu suceder si se la enfra a 20 C? Qu masa de soluto continuar disuelta? La solubilidad de una sal en agua se alcanza disolviendo 50 g de ella en 100 g de agua. Si se agregan 50 g ms de soluto y luego disolvente hasta alcanzar los 300 g de solucin, el sistema final ser: a) una solucin saturada b) una solucin no saturada c) una sistema heterogneo Indica la respuesta correcta y justifica la respuesta. Observando los datos de la solubilidad en agua del dixido de carbono a presin normal y a diferentes temperaturas: a) Grafica la curva de solubilidad del CO2 b) Qu masa de CO2 se solubilizarn en 200 cm3 de agua a 45 C? Calcula la masa de K2Cr2O7 precipitar si 100 g de una solucin saturada a 60 C se enfra a 20 C. Calcula la masa de SnI4 que debe agregarse a 1 kg de una solucin saturada a 20 C para que contine estando saturada cuando se la calienta a 80 C. Calcula la masa de solucin saturada a 60 C se puede preparar con 15 g de sulfato de cerio. Calcula la masa de bicarbonato de sodio que debe agregarse a 250 cm3 de agua para obtener una solucin saturada a 60 C.

12)

13)

14) 15)

16) 17)

Actividades integradas:

1)

Al agregar una determinada cantidad de sulfato de sodio decahidratado a un cierto volumen de agua a 20 C se obtiene una solucin. A continuacin, se calienta el sistema a 70 C obtenindose un sistema heterogneo. Cmo vara la solubilidad de esta sal con el aumento de la temperatura? Las siguientes tablas muestran la solubilidad del nitrgeno, oxgeno y dixido de carbono a distintas temperaturas en agua dulce y agua de mar. Analizando los datos de ambas tablas responde las preguntas que figuran a continuacin. a. En qu tipo de agua los gases de las tablas presentan mayor solubilidad? b. A 12C una solucin saturada de dixido de carbono en agua de mar tiene una concentracin mayor, igual o menor que una solucin saturada del mismo gas en agua dulce a 0C?

2)

8

UNIDAD IIITemperatura Solubilidad (% v/v)

agua dulce 0 C 12 C 2,3 4,7 171,5 1,8 3,5 111,8

24 C 1,5 2,7 78,2

Temperatura Solubilidad (mL/L)

agua de mar 0 C 12 C 14 38 1 438 11 28 947

24 C 9 22 677

nitrgeno oxgeno dixido de carbono

nitrgeno oxgeno dixido de carbono

3) Teniendo en cuenta la curva de solubilidad del nitrato de potasio, responde las preguntas que figuran a continuacin a) Cul es la sal ms soluble a 40 C? b) A qu temperatura el nitrato de sodio y el nitrato de potasio tienen la misma solubilidad? c) Qu masa de nitrato de potasio se debe disolver en 250 g de agua para obtener solucin saturada a 50 C? Solubilidad (g /100 g agua)

3)

Indica qu tipo de sistemas son los representados en los esquemas siguientes. Justifica tu respuesta.

solventeconcentracin de soluto en la solucin saturada = solubilidad

solvente

partculas de soluto disueltas

soluto sin disolver

4)

Indica qu cambio representa el esquema siguiente. Justifica tu respuesta.

partculas solvente partculas soluto

9

UNIDAD III5) Las siguientes figuras representan soluciones de igual volumen (el rea de la figura es proporcional al volumen) en las que los crculos llenos corresponden al soluto y los vacos al solvente. Indica qu cambio representa el esquema siguiente. Justifica tu respuesta. Ordena las soluciones I a IV en orden creciente de concentracin.

I 6)

II

III

IV

Hacer los mismo que en 5) para las soluciones de volmenes distintos, representados por las figuras V a IX.

V 7)

VI

VII

VIII

IX

Idem para las soluciones representados por las figuras X a XIII.

X 8)

XI

XII

XIII

La figura XIII representa un determinado volumen de solucin. Haz una representacin que corresponda a un tercio de ese volumen y otra correspondiente al doble.

10