Mezclas homogéneas de sólidos, líquidos y gases Las disoluciones

Transcripción

1 Dislucines 1/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines Cn frecuencia, ls sistemas químics cn ls que trabajams n ls encntrams frmads pr sustancias puras, sin pr mezclas de varias sustancias químicas. En la mayría de las casines vams a trabajar cn un tip especial de estas mezclas, que denminams dislucines, ya que éstas ns aprtan algunas ventajas de tip práctic, cm pr ejempl que diferentes sustancias en dislución se mezclan fácilmente que pdems medir cantidades de sustancias de frma relativamente sencilla. Cm verems, cualquier dislución está cnstituida, al mens, pr ds sustancias: una de ellas, la que encntrams en mayr cantidad, es a la que denminams dislvente, y la tra, la que está en menr prprción, es la que se denmina slut. Tant el slut cm el dislvente pueden tratarse de un sólid, un líquid un gas. Una de las principales características de una dislución es su cncentración, est es, la cantidad de slut que tenems en una cantidad cncreta de dislvente. Las sustancias se pueden presentar puras mezcladas. En química, utilizams much un tip de mezclas hmgéneas: las dislucines. Las distintas sustancias que manejams n siempre las tenems cm sustancias puras, sin cm mezclas. Las sustancias que cmpnen una mezcla se encuentran interactuand en mayr menr grad, per n reaccinan químicamente entre sí, sin que cada sustancia sigue manteniend su entidad (ver ficha: Estequimetría). Estas mezclas pueden ser entre sustancias sólidas, cm pr ejempls algunas aleacines entre metales, entre líquids, pr ejempl el alchl 95% (etanl agua), entre gases, pr ejempl el aire (mezcla de O 2, N 2, vapr de H 2 O ), sólid-líquid (azúcar en agua), sólid-gas (hum), líquid-gas (en bebidas gasesas: agua CO 2 ). El resultad de mezclar ds más sustancias puede darns un material ttalmente hmgéne, pr ejempl el aire, cn el mism aspect y prpiedades en tda su extensión (mezclas hmgéneas) hetergéne, pr ejempl el suel (mezclas hetergéneas). Hay unas mezclas hmgéneas que sn de especial interés para ls químics debid a su gran utilidad: las dislucines, en ellas, el tamañ de las partículas de las diferentes sustancias que la cmpnen, ls agregads de estas, es tan pequeñ que n las pdems bservar a simple vista. A la sustancia sustancias que tenems en menr prprción en la dislución las denminams sluts. El slut se disuelve en tra sustancia que será la mayritaria y que denminams dislvente. Muy frecuentemente utilizams el agua cm dislvente, y denminams a las dislucines resultantes dislucines acusas. Cm bien sabems, n tdas las sustancias sn slubles entre sí, se trata de un jueg de fuerzas : para que una sustancia (slut) sea sluble en tra (el dislvente) las fuerzas de atracción que mantienen unidas a las mléculas ines en el slut tienen que ser superadas pr las fuerzas que atraen a las partículas del slut y el dislvente en la dislución. Est sucede, pr ejempl, si mezclams sal (NaCl) y agua. Pr el cntrari, cuand mezclams agua y aceite las fuerzas de atracción de las mléculas de agua entre sí, y de las mléculas de aceite entre sí, sn superires a las que pueden existir entre las mléculas de agua cn aceite: ls mezclams, per n se disuelven. Mezcla: Agregación incrpración de varias sustancias, sin que reaccinen químicamente entre sí, cada sustancia en la mezcla cnserva sus prpias características. Mezcla hmgénea Mezcla que tiene una cmpsición cnstante en tda su extensión (sus cmpnentes interactúan íntimamente entre sí). Mezcla hetergénea Mezcla que tiene una cmpsición diferente según la zna dnde se bserve (ls cmpnentes sufren entre si interaccines muy pequeñas). Dislución: Mezcla hmgénea en la que el tamañ de las partículas que la cmpnen es tan pequeñ que n l pdems bservar a simple vista (ls átms, ines mléculas que cnstituyen el slut n están agregads entre sí, sin separads pr el dislvente). Slut: Sustancia que encntrams en menr prprción en una dislución. Dislvente: Sustancia que encntrams en mayr prprción en una dislución. Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

2 Dislucines 2/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines Cncentración de las dislucines La cncentración es una de las prpiedades que mejr caracterizan una dislución. Cuand expresams la cncentración de una dislución estams diciend cuál es la prprción entre slut y dislvente. Así, pr ejempl, pdems dar la masa de un slut (grams) disuelta en un determinad vlumen (litrs) de dislución de dislvente, cantidad de sustancia (mles) disuelta en una determinada cantidad de dislvente, etc L digams cm l digams, siempre estams aprtand la misma infrmación: prprción entre slut y dislvente. Qué frma elegims? La que ns resulte más cómda y útil, según el cas Tant pr cient en masa y tant pr cient en vlumen En general estams muy acstumbrads a utilizar el prcentaje para indicar la relación entre ds cantidades, referidas a un ttal de 100. Cuand indicams la cncentración de una dislución cm el tant pr cient en masa (% m/m) estams dand el prcentaje en masa (grams) del slut cntenid en 100 g de dislución. Pr ejempl, una dislución acusa al 20% en pes de sacarsa cntendrá 20 g de sacarsa pr cada 100 g de dislución (sacarsa agua). Dich de tra frma: en cada 100 g de dislución tendrems 20 g de sacarsa y 80 g de dislvente (en este cas agua). Dad que el dislvente en muchas casines será un líquid, cnviene recrdar que la cnversión entre vlumen y masa es inmediata cnciend la densidad de la sustancia (densidad = masa / vlumen). Cuand el slut también sea un líquid, ns resultará más cómd medir vlúmenes que masas. En ests cass pdems expresar la cncentración cm el tant pr cient en vlumen (% v/v). Así pr ejempl, si hablams de una dislución acusa de etanl al 95% en vlumen estams indicand que tendrems 95 ml de etanl en cada 100 ml de dislución (etanl agua) (cnviene recrdad que cuand se mezclan ds sustancias, ls vlúmenes n sn aditivs). En algunas casines también se utiliza el prcentaje masa/vlumen (% m/v) que expresa el prcentaje en masa (grams) del slut cntenid en 100 ml de dislución. Cncentración: Prprción entre la cantidad de slut y la cantidad de dislvente de una dislución. Tant pr cient en masa: Prcentaje en masa (grams) del slut cntenids en 100 g de dislución. masa slut (g) %m/m = masa dislución (g) Tant pr cient en vlumen: Prcentaje en vlumen (ml) del slut cntenids en 100 ml de dislución. vl. slut (ml) % v/v = vl. dislución (ml) Prcentaje masa/vlumen: Prcentaje en masa (g) del slut cntenids en 100 ml de dislución. masa slut (g) %m/v = vl. dislución (ml) Densidad: Prpiedad de una sustancia que expresa el vlumen cupad pr una masa cncreta de esa sustancia. Fraccines mlares: Númer de mles ttal de una sustancia en una mezcla, dividida pr el númer ttal de mles en la mezcla (mles de slut mles de dislvente). n mles slut χ s = n mles ttales Fraccines mlares Sabems que la unidad química para medir cantidad de sustancia es el ml, pr tant, también pdems indicar la cantidad de slut y de dislvente expresand la relación entre el númer de mles de cada un de ls cmpnentes de una dislución en relación cn el númer de mles ttales que tenems en la dislución. Pr ejempl, imaginems una mezcla de ds sustancias, A y B. La fracción mlar de A será el númer de mles de A en relación cn el númer de mles ttal (nº de mles de A nº de mles de B). La fracción mlar de B será, de frma análga, el númer de mles de B en relación cn el númer de mles ttal (nº de mles de A nº de mles de B). Dislucines para reaccines químicas: Mlaridad y Nrmalidad Cuand querems prvcar una reacción química tenems que pner en cntact las sustancias que van a reaccinar, l que hacems en muchas casines mezcland ds dislucines que cntengan ests reactivs. Para que la reacción transcurra de una frma óptima (ver ficha: Estequimetría) tendrems que pner una relación de númer de mles Cncentración mlar mlaridad: Númer de mles de slut pr cada litr de dislución. n mles slut M = vlumen dislución (L) Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

3 Dislucines 3/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines cncrets de cada una de estas sustancias. Pr tant, l más cómd y práctic será hablar de númer de mles de cada sustancia para un vlumen cncret de dislución. Así, definims la cncentración mlar mlaridad (M) cm el númer de mles (n) de slut pr cada litr de dislución (ml.l -1 ). Pr ejempl, una dislución acusa 0,5 M de sacarsa cntendrá 0,5 mles de sacarsa en cada litr de dislución. Cn esta frma de expresar la cncentración n ns estams precupand de especificar exactamente la cantidad de dislvente: l que realmente ns interesa es saber, pr ejempl, que si tenems una dislución 0,5 M de sacarsa y tmams ½ L de ella, en realidad allí tendrems 0,25 mles de sacarsa, el rest, hasta cmpletar el vlumen de ½ L, será dislvente, en este cas agua, aunque de frma inmediata n pdrems decir el númer de mles exacts de agua que habrá. Existen alguns tips cncrets de reaccines químicas en las que en lugar de hablar de númer de mles de sustancia ns resulta más cómd hablar de númer de equivalentes. Este cncept adquiere sentid situándl en relación cn reaccines ácid-base y reaccines de xidación-reducción (también denminadas reaccines redx). En las reaccines ácid-base, de frma muy general, pdems decir que una de las sustancias que reaccinan, el ácid, aprtará prtnes (H ) que se cmbinarán cn anines OH - prvenientes de la tra sustancia, la base, para frmar agua (H 2 O). En las reaccines redx, un reactiv aprta electrnes (agente reductr) que sn captads pr tr (agente xidante). L que ns interesa en este tip de reaccines es que haya cantidades equivalentes de ácids y bases de agentes xidantes y agentes reductres, respectivamente. Más en cncret, necesitams que sean equivalentes las cantidades de H y OH -, para frmar mléculas de H 2 O (en r. ácid-base), y que ls electrnes que aprta el reductr sean equivalentes a ls que puede captar el xidante (en redx). Númer de equivalentes: Númer de H de OH - que un reactiv pne en jueg en una reacción ácid-base, númer de electrnes que cada reactiv pne en jueg en una reacción redx. Nrmalidad (N): Equivalente de slut pr cada litr de dislución. Se debe definir el equivalente de slut de acuerd a la reacción cn la cual se trabaje. Vams a utilizar uns ejempls de reaccines ácid-base para describir a qué ns referims cn el númer de equivalentes:. Si un ml de ácid aprta un ml de H (ej: HCl NaOH NaCl H 2 O ácid clrhídric) y reaccina cn un ml de una base que aprta un ml de OH - (ej: Cl - (aq) Na (aq) NaOH) ambs aprtan cantidades equivalentes de H y OH - para la frmación de mléculas de H 2 H (aq) OH - (aq) O.. Si en vez de HCl hiciérams reaccinar, pr ejempl, ácid sulfúric (H 2 SO 4 ) cn esta misma base (NaOH), cada ml de H 2 SO 4 aprta 2 mles de H, pr tant, necesitarems 2 mles de NaOH, para tener en nuestra mezcla de reacción cantidades equivalentes de H y OH -, de cara a la frmación de mléculas de H 2 O. Cada ml de HCl aprta 1 ml de H Cada ml de NaOH aprta 1 ml de OH H 2 SO 4 2 NaOH Na 2 SO 4 2H 2 O SO 4 2- (aq) 2H (aq) 2 Na (aq) 2 OH - (aq) Cada ml de H 2 SO 4 aprta 2 mles de H Cada ml de NaOH aprta 1 ml de OH El numer de equivalentes del H 2 SO 4 es 2, l que es l mism, cada ml de H 2 SO 4 aprta 2 mles H. El númer de equivalentes del NaOH del ClH es 1, es decir, cada ml de NaOH HCl aprta, respectivamente, 1 ml de OH - 1 ml de H Cuand querams preparar dislucines para ests tips de reaccines, ns interesan que sean equivalente en cuant al númer de OH - H que aprtan ácids y bases. Pr es utilizams el cncept de nrmalidad, para indicar las cncentracines en función del númer de equivalente pr litr de dislución. De esta frma, una dislución 1 Nrmal (1N) de H 2 SO 4 será aquella que cntenga 1 ml de H pr cada litr de dislución, es fácil deducir que se crrespnde cn una dislución que cntenga 0,5 mles de H 2 SO 4. De frma análga, una dislución 1 N de HCl NaOH será aquella que cntenga 1 ml de H de OH - pr cada litr de dislución, l que en ambs cass se crrespnde cn una dislución de mlaridad 1 (1 ml de HCl de NaOH pr litr de dislución). Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

4 Dislucines 4/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines Cm vems existe una relación directa entre la mlaridad y la nrmalidad, determinada pr el númer de equivalentes de cada ml de sustancia. La nrmalidad será igual a la mlaridad multiplicada pr el númer de equivalentes de cada ml de sustancia, a l que a veces se denmina valencia (v): Nrmalidad = Mlaridad x valencia; dónde la valencia es igual al númer de equivalentes pr ml Expresines de cncentración útiles en relación cn las prpiedades cligativas de las dislucines Las dislucines pseen unas prpiedades, que se denminan prpiedades cligativas, éstas se caracterizan pr depender únicamente del númer de partículas disueltas y n del tip de éstas. Para trabajar cn estas prpiedades ns resulta útil hablar de la cncentración de las dislucines de frma que indiquems claramente cual es la cantidad de slut y la cantidad de dislvente. Hems vist que expresand cncentración en frma de fraccines mlares estams aprtand esta infrmación de frma muy clara, pr l que ns puede resultar de utilidad en este sentid. Además, hay un cncept que ns aprta también esta infrmación: la mlalidad, términ cn el que estams expresand la cantidad de slut pr masa de dislvente (n de dislución). En cncret, la mlalidad sn ls mles de slut cntenids en un kilgram de dislvente. Cuand las cncentracines sn muy pequeñas En dislucines en las que las cantidades de sluts sn muy pequeñas, cm curre, en muchas casines, en mezclas de gases, hablams de partes pr millón (ppm). Cn ell estams indicand el vlumen (ml) de slut pr cada millón de vlúmenes (ml) del dislvente. Pr ejempl: la cncentración de dióxid de carbn, CO 2, en la atmósfera terrestre es de 330 ppm, cn ell estams indicand que hay 300 cm 3 ( l que es l mism 300 ml) de CO 2 en 10 6 cm 3 (1000 L) de aire. Prpiedades cligativas: Prpiedades las dislucines que dependen del númer de mles de slut en relación cn el númer de mles de dislvente, siend ttalmente independientes del tip de slut de que se trate. Estas sn: la presión smótica y la variación en el punt de ebullición, en el punt de cngelación y en la presión de vapr. Mlalidad (m): Númer de mles(n) de slut pr masa de dislvente (kg). n mles slut m = masa dislvente (kg) Partes pr millón (ppm): Cn ell estams indicand el vlumen (ml) de slut pr cada millón de vlúmenes (ml) del dislvente Tabla resumen de algunas de las diferentes frmas de expresar la cncentración de dislucines En función de la masa de la dislución Tant pr cient en masa masa slut (g) % m/m = masa dislución (g) En función del vlumen de la dislución Tant pr cient en vlumen vlumen slut (L) % v/v = vlumen dislución (L) Grams/litr g masa slut (g) = L vlumen dislución (L) Mlaridad (M) n mlesslut M = vlumen dislución (L) Nrmalidad (N) n equivalentes slut N = vlumen dislución (L) En función del númer de mles en la dislución Fracción mlar de slut (χ s ) n mles slut χ s= n mles slut n mles dislvente En función de la masa de dislvente Mlalidad (m) m = n mles slut masa dislvente (kg) Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

5 Dislucines 5/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines Otrs cncepts relacinads que cnviene recrdar/cnsultar Ml: Ver ficha: Ml Reaccines químicas. Ver ficha Estequimetría Ejempl A. Se añaden 60 grams de hidróxid sódic en un matraz de 1 litr, añadims agua hasta aprximadamente la mitad y agitams cuidadsamente el matraz tratand de dislver td el slut. Una vez disuelt, añadims más agua al matraz, hasta alcanzar exactamente la marca de 1L: a) Cual sería la mlaridad de esta dislución? b) Teniend en cuenta que vams a utilizar esta dislución para neutralizar un ácid cuál es su Nrmalidad? c) Si partims de un NaOH cmercial cuya pureza ns dicen es el 98%, cuant NaOH debems pesar para preparar una dislución cn esta misma cncentración? Dats. Masas atómicas: Na=23; O=16; H=1 Slución: a) Cual sería la mlaridad de esta dislución? Masa mlecular del NaOH= = 40 Pr tant, 1 ml de NaOH tiene una masa de 40 gr (Ver ficha: Ml), lueg 60 grams serán: Mles de slut= 60/40 = 1,5 mles de NaOH Estams pniend ests 1,5 mles de NaOH en un vlumen de dislución de 1 L, lueg la mlaridad de esta dislución será: Mlaridad= 1,5 mles de NaOH / 1L = 1,5 M b) Teniend en cuenta que vams a utilizar esta dislución para neutralizar un ácid cuál es su Nrmalidad? Cm cada ml de NaOH aprtará 1 ml de anines hidrxil (OH - ) a la reacción, la mlaridad cincidirá cn la nrmalidad. Es decir, en este cas el númer de equivalentes pr ml es igual a 1, lueg en 1,5 mles de NaOH habrá 1,5 númer de equivalentes, y pr tant: Nrmalidad = 1,5 nº equiv. / 1L = 1,5 N c) Si partims de un NaOH cmercial cuya pureza ns dicen es el 98%, cuant NaOH debems pesar para preparar 500 ml de dislución cn esta misma cncentración? Cm hems vist, para una dislución 1,5 M necesitams 1,5 mles de NaOH pr cada litr de dislución. Ahra querems preparar 500 ml lueg necesitarems: 1,5 M x 0,500 L = 0,75 mles de NaOH Cm 1 ml de NaOH tiene una masa de 40 g, 0,75 mles serán: Grams de NaOH?= nº mles x pm = 0,75 mles x 40 g.ml -1 = 30 g NaOH Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

6 Dislucines 6/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines Ahra bien, ns dicen que el NaOH que estams utilizand n está al 100%, sin que de cada 100 grams que tmems, sól 98 grams serán NaOH (Pureza 98%). Es decir, tendríams que tmar 30 g de NaOH si el prduct que tenems estuviese al 100%, per cm en realidad está al 98%, necesitarems pesar alg más para que haya realmente 30 grams de NaOH. Es decir: - necesitams 30 g de NaOH a partir de una muestra en la que hay NaOH al 98% - qué cantidad pesams de esa muestra para saber que tendrems la cantidad (100%) de NaOH que necesitams?: 98% g 100% X g (30 g x 100 ) / 98 = 36,61 grams de NaOH a pesar B. A cntinuación mezclams en tr recipiente 187 grams de NaOH y 416 grams de agua, agitams hasta la cmpleta dislución y cmprbams que resulta un vlumen final de 450 ml: a) Cuál sería la densidad de esta dislución? Y en relación cn su cncentración cuál será ésta en: b) Grams pr litr c) Cncentración mlar (M) d) Cncentración nrmal (N) e) Prcentaje en pes (% m/m) f) Cncentración mlal (m) g) Fraccines mlares de slut y dislvente a) Densidad Densidad (d) =masa/vlumen Grams de dislución=187g 416g = 603 grams d= 603 g / 450 ml = 1,340 g/ml b) Grams pr litr tendrems 187 grams de NaOH en 0,450 L de dislución. Lueg: 187 g / 0,450 L = g/l c) Cncentración mlar Masa mlecular del NaOH = = 40 Mles de slut = 187/40 = 4,675 mles de NaOH Mlaridad = 4,675 mles / 0,450 L = 10,39 M d) Cncentración nrmal Pes equivalente = Masa mlecular / valencia = 40/1 = 40 grams/equivalente Equivalentes de NaOH = 187 g/40 g*equiv -1 = 4,657 equivalentes Nrmalidad = 4,675 equiv. / 0,450 L = 10,39 N Autra: Mercedes de la Fuente Rubi

7 Dislucines 7/7 Mezclas hmgéneas de sólids, líquids y gases Las dislucines e) Prcentaje en pes (% m/m) % m/m = (187 g NaOH / 603 g dislución ) x100 = 31,01 % f) Cncentración mlal (m) Mlalidad (m) = 4,675 mles de NaOH / 0,416 kg de dislvente = 11,24 g) Fraccines mlares de slut y dislvente Masa mlecular del NaOH = = 40; Mles de slut = 187/40 = 4,675 mles de NaOH Masa mlecular del H 2 O = 2 16 = 18; Mles de dislvente = 416/18 = 23,111 mles de H 2 O Mles ttales en la dislución= 4,675 23,111 = 27,786 Fracción mlar de slut = 4,675/27,786 = Fracción mlar de dislvente = 23,111/27,786 = Ejercici de autevaluación Cn una pìteta, tmams 25 ml de una dislución de H 2 SO 4 al 44%, cuya densidad es de 1,343 g/cm 3. Se clcan ests 25 ml en un matraz de 500 ml en el que previamente habíams añadid agua hasta aprximadamente 1/3 de su capacidad. Después de añadir el ácid, seguims añadiend agua, agitand cuidadsamente de vez en cuand, hasta alcanzar exactamente la marca de 500 ml. a) Cuál es la Nrmalidad de esta dislución? b) Y su mlaridad? Slución: Tmand 25 ml de una dislución cn esa densidad tendrems 33,575 grams de masa. De esa masa, el 44% es H 2 SO 4, lueg tenems 14,8 g de H 2 SO 4, l que es l mism 0,151 mles de H 2 SO 4. Cm el nº equiv.pr ml de H 2 SO 4 es 2, tendrems: 0,151 x 2 = 0,302 equivalentes de H 2 SO 4. Pr tant: a) será una dislución 0,302 equiv. /0,500 L= 0.6 N; b) 0,151 mles / 0, 500 L = 0,3 M. Autra: Mercedes de la Fuente Rubi