El estado de agregación de la solución lo da el solvente

Transcripción

1 SOLUCIONES Disolución: mezcla homogénea de dos o más sustancias en una única fase.(sln o Dsln) Uno de los componentes es el disolvente y los otros el soluto Disolvente:(Slv) componente que está presente en mayor cantidad o que determina el estado de Agregación en que existe la disolución Soluto: (STo) el que se encuentra en menor proporción Clasificación de las soluciones Estado de la Estado del Estado del Ejemplo solución disolvente soluto GAS GAS GAS AIRE LÍQUIDO LÍQUIDO GAS O 2 en H 2 O LÍQUIDO LÍQUIDO LÍQUIDO ROH en H 2 O LÍQUIDO LÍQUIDO SÓLIDO SAL en H 2 O SÓLIDO SÓLIDO GAS H 2 en Pd SÓLIDO SÓLIDO LÍQUIDO Hg en Ag SÓLIDO SÓLIDO SÓLIDO Ag EN Au El estado de agregación de la solución lo da el solvente Dependiendo de la naturaleza del soluto: Electrolíticas El soluto se disocia en iones, p. ej. sal conducen la corriente eléctrica No electrolíticas El soluto no se disocia en iones, p. ej. azúcar No conducen la corriente eléctrica Dependiendo del disolvente 1

2 Acuosas No acuosas Dependiendo de la cantidad de soluto disuelto: SATURADA INSATURADA SOBRESATURADA PROCESO DE DISOLUCIÓN Cuando un terrón de azúcar se introduce en un vaso lleno de agua, al cabo de un tiempo parece, a primera vista, que se ha desvanecido sin dejar rastro de su presencia en el líquido. Esta aparente desaparición parece indicar que el fenómeno de la disolución se produce a nivel molecular. Solubilidad: es la capacidad de un compuesto a disolverse en un solvente adecuado acuoso (o gaseoso). La solubilidad de un compuesto es la masa de soluto contenido en una masa determinada de solvente. VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN Depende de: 1. La agitación 2. El grado de subdivisión. 3. La temperatura. 4. La presión 1. La agitación ya que habrá mayor contacto entre las partículas de soluto y de disolvente.separa capa de liquido 2 Un aumento en el grado de subdivisión de las partículas sólidas, puesto que se aumenta la superficie de contacto y habrá mayor exposición de partículas Sto -Slv. 3 El aumento de temperatura aumenta la energía cinética y favorece la interacción sto - slv 4 Un aumento de presión en sistemas gaseosos solamente, aumenta el contacto de las Partículas Sto Slv (Ley de Henry) La solubilidad depende: 1. Soluto (Sto) Naturaleza 2. Solvente ( Slv) 3. Factor energetico 4. Factor Desorden 1y 2 Naturaleza de Sto y Slv «lo semejante disuelve a lo semejante». La disolución de un sólido supone la ruptura de los enlaces de la red cristalina y la consiguiente disgregación de sus componentes en el seno del líquido. Para que esto sea posible es necesario que se produzca una interacción de las moléculas del disolvente con las del soluto, que recibe el nombre genérico de solvatación o hidratación esto se explica con el viejo aforismo de que «lo semejante disuelve a lo semejante». 2

3 Sí el fenómeno de la solvatación es lo suficientemente importante, dar lugar por sí solo a la disolución del cristal. Los disolventes polares como el agua son apropiados para solutos polares como los sólidos iónicos o los sólidos formados por moléculas con una cierta polaridad eléctrica. Por su parte, los disolventes apolares, como el benceno (C 6 H 6 ), disuelven las sustancias apolares como las grasas. PROCESO DE SOLVATACIÓN O HIDRATACIÓN DE LOS IONES INTERACCIONES SOLUTO-SOLVENTE 1 Las interacciones intermoleculares ayudan al solvente polar a disolver sustancias iónicas (NaCl en agua) unión Ion- dipolo se forman iones solvatados o hidratados. 2 El solvente con puentes de hidrógeno disuelve sustancias que permanecen unidas con enlaces puente de H (sacarosa en agua).. 3 Solventes con fuerzas de London altas disuelven sólidos moleculares no polares (S en S 2 C). 3

4 DIFERENTES INTERACCIONES STO SLV 3 Factor energético Cuando una sustancia sólida se sumerge en un disolvente apropiado, las moléculas (o iones) situadas en la superficie del sólido son rodeadas por las del disolvente; este proceso lleva consigo la liberación de una cierta cantidad de energía que se cede en parte a la red cristalina y permite a algunas de sus partículas componentes desprenderse de ella e incorporarse a la disolución. La repetición de este proceso produce, al cabo de un cierto tiempo, la disolución completa del sólido. En algunos casos, la energía liberada en el proceso de solvatación no es suficiente como para romper los enlaces en el cristal (Energia de red cristalina) y, además, intercalar sus moléculas (o iones) entre las del disolvente, en contra de las fuerzas moleculares de éste(fuerzas de Van der Waals). La diferencia de energía entre el proceso de solvatación y la separación de los iones del cristal y de las moléculas de solvente determina si los procesos de disolución 4

5 serán endotérmicos o exotérmicos. H 1 + H 2 + H 3 = H dln + + Las principales interacciones que afectan la disolución de un soluto son: soluto-soluto solvente-solvente soluto-solvente DISOLUCIÓN SERÁ EXOTÉRMICA: Interacción soluto-solvente > soluto-soluto solvente-solvente DISOLUCIÓN SERÁ ENDOTÉRMICA: Interacción soluto-solvente < soluto-soluto solvente-solvente > 3 Pero como observamos en la grafica la mayoría de los procesos son endotérmicos 5

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7 Para que la energía de solvatación tome un valor considerable es necesario que las interacciones entre las moléculas del soluto y entre las del disolvente sean de la misma naturaleza. Junto con los factores de tipo energético, como los considerados hasta ahora, que llevan a un sistema sólido/líquido a alcanzar un estado de menor energía potencial, otros factores determinan el que la disolución se produzca o no de forma espontánea. Esta afirmación está respaldada por dos tipos de fenómenos: en primer lugar la existencia de procesos de disolución que implican una absorción moderada de energía del medio, lo cual indica que el sistema evoluciona hacia estados de mayor energía interna; en segundo lugar sustancias apolares como el tetracloruro de carbono (CCl 4 ), aunque poco, se llegan a disolver en disolventes polares como el agua.el factor que determina la espontaneidad de la disolución es el factor desorden POR LO GENERAL: _ En un proceso de disolución endotérmico, un aumento de temperatura aumenta la solubilidad de la sustancia en un determinado disolvente. _ En un proceso exotérmico un aumento de temperatura disminuye la solubilidad. 7

8 . 4 Factor Desorden Los procesos físico-químicos están influidos, además, por el factor desorden, de modo que tienden a evolucionar en el sentido en el que éste aumenta. La disolución, sea de sólido en líquido, sea de líquido en líquido, aumenta el desorden molecular y por ello está favorecida. Contrariamente, la de gases en líquidos, está dificultada por el aumento del orden que conllevan. Del balance final entre los efectos de ambos factores, el de energía y el de desorden, depende el que la disolución sea o no posible. Factor Aleatorio, este factor se refiere a la tendencia natural hacia el desorden o entropía El factor aleatorio justifica el por qué un soluto puede disolverse en un disolvente aún si la atracción entre sus propias partículas es más fuerte que la atracción STO- SLV(proceso de disolución endotérmico). El aumento en el desorden del sistema favorece la solubilidad de una sustancia. Determinara la espontaneidad del proceso. Desorden Desorden orden La solubilidad Las sustancias no se disuelven en igual medida en un mismo disolvente. Con el fin de poder comparar la capacidad que tiene un disolvente para disolver un producto dado, se utiliza una magnitud que recibe el nombre de solubilidad. La capacidad de una 8

9 determinada cantidad de líquido para disolver una sustancia sólida no es ilimitada. Añadiendo soluto a un volumen dado de disolvente se llega a un punto a partir del cual la disolución no admite más soluto (un exceso de soluto se depositaría en el fondo del recipiente). Se dice entonces que está saturada. Solubilidad: máxima cantidad de un material que se disolverá en una cantidad dada de disolvente, a una temperatura dada, para producir una disolución estable :g sto/100 g de H2O a una temperatura dada. Una disolución es saturada cuando se ha disuelto de forma estable la máxima cantidad de soluto en el disolvente. La concentración del soluto en ese momento es igual a la solubilidad del soluto El soluto y el solvente se encuentran en equilibrio dinámico entre sí. Una disolución es no saturada o insaturada cuando la cantidad de soluto es menor que la máxima Una disolución es sobresaturada cuando la cantidad de soluto es mayor que la máxima. Es inestable y se logra por calentamiento de una solución saturada con disolución del sto depositado a) b) c) a)20 g de glucosa/100 mlde H 2 0 Insaturada b) Solución saturada en contacto con solido en exceso Saturada c)300 g de glucosa/100 mlde H 2 0 Sobresaturada. 9

10 solución sobresaturada en la que el soluto volvió a precipitar Pues bien, la solubilidad de una sustancia respecto de un disolvente determinado es la concentración que corresponde al estado de saturación a una temperatura dada. Las solubilidades de sólidos en líquidos varían mucho de unos sistemas a otros. Así a 20 ºC la solubilidad del cloruro de sodio (NaCl) en agua es 6 M y en alcohol etílico (C 2 H 6 O), a esa misma temperatura, es 0,009 M. Cuando la solubilidad es superior a 0,1 M se suele considerar la sustancia como soluble en el disolvente considerado; por debajo de 0,1 M se considera como poco soluble o incluso como insoluble si se aleja bastante de este valor de referencia. CURVAS DE SOLUBILIDAD La solubilidad depende de la temperatura; de ahí que su valor vaya siempre acompañado del de la temperatura de trabajo. En la mayor parte de los casos, la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura. Se trata de procesos en los que el sistema absorbe calor para apoyar con una cantidad de energía extra el fenómeno la solvatación. En otros, sin embargo, la disolución va acompañada de una liberación de calor y la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura Esto se puede observar en la siguiente grafica: 10

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12 Disoluciones de líquidos en líquidos Miscibilidad: representa la capacidad de un líquido para disolverse en otro y formar una mezcla homogénea. Si las interacciones disolvente - disolvente y soluto - soluto son semejantes, los líquidos son completamente miscibles en cualquier proporción. Ejemplos: agua y metanol; benceno y hexano. Si las interacciones disolvente - disolvente y soluto - soluto son muy diferentes, los líquidos son completamente inmiscibles. Ejemplos: agua y aceite. Si las interacciones disolvente - disolvente y soluto - soluto no son muy diferentes, los líquidos son parcialmente miscibles. Ejemplos. Disoluciones Gas-Liquido Efecto de la presión : Ley de Henry(Bebidas con gas) Constante Sg= K H Pg Presión del gas sobre l solución Solubilidad de gas en el solvente dado Se cumple para gases que no reaccionan con el solvente 12

13 . CONCENTRACIÓN Expresión de la concentración La concentración de un soluto en un disolvente se expresa mediante una combinación de unidades que relacionan la masa o el volumen del soluto con la masa o el volumen de la disolución. La unidad de masa habitual es el gramo o el mol, y la unidad de volumen, el litro. Las disoluciones pueden estar diluidas o concentradas, en función de la cantidad relativa de soluto y de disolvente que haya en la misma. Así, cualquier disolución que contenga una cantidad muy grande de soluto es una disolución concentrada; en cambio, si contiene muy poca cantidad de soluto en relación con el disolvente, se dice que está diluida. Las formas más usuales de expresar la concentración son: Porcentajes: la expresión de una concentración en forma de porcentajes puede ir referida a masa o a volumen: Una disolución de azúcar en agua al 10% en masa quiere decir que contiene 10 gramos de azúcar por cada 100 gramos de disolución. Molaridad (M) o concentración molar: es la expresión de la concentración referida al número de moles de soluto por litro de disolución: 13

14 Una disolución 10 molar de cloruro sódico (NaCl) contiene 10 moles de NaCl por litro de disolución. Molalidad (m) o concentración molal: es la expresión de la concentración referida al número de moles de soluto por kilogramo de disolvente: Una disolución 3 molal de NaCl contiene 3 moles de sal por kilogramo (o por litro en este caso) de agua. Fracción molar (X): se denomina fracción molar del soluto al cociente entre el número de moles de soluto de la disolución y el número total de moles (disolvente y soluto): Si se echa 1 mol de NaCl en 9 moles de agua, la fracción molar del soluto es:. 14

15 Normalidad (N) La concentración Normal o Normalidad, es el número de pesos equivalentes por litros de solución., por lo tanto si una solución contiene un peso equivalente de CaCO 3 (100 g), en un litro de solución, su concentración es 1 Normal. N = # equivalentes de soluto litros de solución # equivalentes = g de soluto Peq Peq = PM c donde c o no de equivalentes de cada suststancia es igual al número de iones hidrógenos (H+) de un ácido, o de iones hidroxílo (OH-1) de una base, o la carga del catión en una sal (por ejemplo Al+3)multiplicada la cantidad de cationes en el Al 2 (SO4) 3 c = 2 x 3 = 6, o el número de electrones transferidos en una reacción redox. Ej Una solución de Al 2 (SO4) 3 2 N significa que tenemos 2 equivalentes de Al 2 (SO4) 3 en un litro de solución DILUCIÓN Solución A Solución B 15

16 Nº moles solución A = Nº de moles de la solución B [ A ] > [ B ] Cuando se diluye una solución,se agrega mas solvente la cantidad de soluto o moles de soluto o equivalentes de soluto es la misma lo que varia es la concentración. Densímetro DISOLUCIÓN DE SALES EN AGUA Uno ejemplo típico con el que se ilustra el efecto térmico de la disolución de sales en agua, es la existencia en el mercado de bolsas que se enfrían o se calientan cuando se da un golpe sobre ellas. Suceden esos efectos térmicos porque, con el golpe, se rompe una bolsa interior que contiene agua, y lo pone en contacto con sales como nitrato amónico (disolución endotérmica) o como sulfato de magnesio (disolución exotérmica). Estos dispositivos se venden por ejemplo en tiendas especializadas en artículos deportivos, pues se emplean precisamente para el tratamiento de contusiones, esguinces, etc. Son las sales citadas las que se encuentran en las fotografías expuestas, como se observa en la información impresa en las bolsas. 16

17 FORMAS MÁS USUALES DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN Nombre Símbolo Soluto Disolvente Disolución % en peso % nº de gramos g g/100 ml - nº de gramos ml volumen/volumen v/v nº de ml nº de ml - Fracción molar del soluto Fracción molar del disolvente X s nº de moles - 1 mol X d - nº de moles 1 mol Molalidad m nº de moles 1 Kg - Osmolalidad im nº de osmoles 1 Kg - Molaridad c(m) nº de moles - 1 litro Normalidad N nº de equivalentes - 1 litro Disoluciones diluidas LEY DE RAOULT. CONCEPTO DE DISOLUCIÓN IDEAL El estudio de los gases se facilito gracias al modelo del gas ideal Modelo sencillo para predecir su comportamiento. Referente para el estudio de gases reales. 17

18 1)Descripción fenomenológica: PV = nrt 2) Descripción molecular: Moléculas puntuales (V despreciable). No existen interacciones intermoleculares entre ellas. Se puede disponer de un modelo análogo para disoluciones. DISOLUCIÓN IDEAL -Disolución en la cual las moléculas de las distintas especies son tan semejantes unasa otras. - Las moléculas de uno de los componentes pueden sustituir a las del otro sin que se produzca una variación de la estructura espacial de la disolución,ni de la energía de las interacciones intermoleculares presentes en la misma. -Fuerzas de cohesión entre sto - slv son iguales a las de sto-sto y slv-slv. Ley de Raoult La presión de vapor del solvente (en solución)en presencia de un soluto es proporcional a la fracción molar del solvente P 1 = P 1 Fracción molar del solvente Presión del solvente puro Presion parcial del solvente en solución Una solución que cumple la ley de Raoult es una solución ideal o solución diluida. Caso de 2 componentes en la solución solo el solvente volatil 18

19 DISOLUCIONES BINARIAS IDEALES Cuando la mezcla esta formada por dos componentes ambos volátiles la presión total esta dada por la Ley de Dalton Equilibrio Disolución ideal.disolución ideal de los componentes 1 y 2 ambos volátiles Ley de Raoult L V P P B A x x L B L A P * B P * A de acuerdo con la ley de Dalton:P T= P A + P B Con estas expresiones puedo conocer la composición del vapor sabiendo la del líquido (ambas no tienen por qué ser iguales). Si, p.ej., P A º > P B º 19

20 X A X B DESVIACIONES DE LA LEY DE RAOULT. DISOLUCIONES NO IDEALES La ley de Raoult en el modelo ideal supone que las moleculas del liquido A no son afecadas por las moleculas de B vecinas y esto ocurre si las fuerzas de A con A son iguales a las de Bcon B (Fzas intermoleculares)y las de A con B Pero en disoluciones donde estas interacciones son muy desiguales la ley de Raoult nos se cumple y se producen desviaciones Negativas y positivas: Desviación negativa FzasA-B >Fzas A-A ó B-B 20

21 Presion de la disolución anormalmente mas baja Desviación positiva FzasA-B <Fzas A-A ó B-B 21

22 DIAGRAMAS DE PUNTO DE EBULLICIÓN Diagrama de presión de Vapor La composición de de la disolución de 2 componentes volátiles se relacionan con la composición del vapor en equilibrio mediante la ley de Dalton yde la Ley de Raoult La relación entre la composición de la disolución y la composición del vapor en equilibrio a una presión determinada puede darse gradicamente Podemos representar ambas en un mismo diagrama P A Disminuimos P a T cte de A hasta E B E C D A: disolución líquida B: empieza a producirse vapor C: líq + vapor en equilibrio D: Se evapora la última gota de líquido E: Todo vapor 0 x L x L x Vx V x 1 22

23 Pºvap 1 > Pº vap 2 Si 1 es el componente más volátil, el vapor se enriquece mas de este componenente Como en una destilación se miden temperaturas de ebullición a presión atmosférica, la forma mas útil para su representación es sustituyendo la presión de vapor por la temperatura de ebullición 23

24 . La disolución destila a temperatur T tiene una composición X1 tiene un vapor de composición X si bajamos la temperatura a T él destilado tiene una composición X cada vez más rico en el componente mas volátil.si este proceso se repite mas veces se lograra la separación de los componentes de la mezcla con alto grado de pureza. 24

25 Aplicación: Destilación Destilación simple Como el vapor es más rico en el componente más volátil que el líquido original es posible separar los 2 componentes de una disolución ideal por destilaciones sucesivas.. El comportamiento descripto corresponde a disoluciones ideales, siendo similar a lo observado en disoluciones reales,pero en algunos casos el alejamiento de la idealidad es 25

26 apreciable y aparecen el punto azeotropico caracterizado por tener igual composición el liquido y el vapor. Azeótropos: Mezclas que tienen Punto de Ebullición constante como por ejemplo Agua con alcohol etílico o agua y acido Clorhídrico o Acido Nítrico. No se pueden separar por destilación. En el caso del alcohol etílico y agua la máxima concentración de alcohol que se puede separar es al 96% es el que se compra comercialmente La presión de vapor de la mezcla es mayor que la de los componentes puros La temperatura de ebullición mezcla al96%=78,1ºc agua=100ºc y acohol etílico 78,3ºC 26