IES La Magdalena. Avilés. Asturias DISOLUCIONES

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1 DISOLUCIONES IES La Magdalena. Avilés. Asturias Una disoluión es una mezla homogénea (los omponentes no se pueden distinguir a simple vista) de dos a más sustanias. En las disoluiones hay que distinguir el soluto, el disolvente y la propia disoluión Soluto, es la sustania que se disuelve. Disolvente, es la sustania en la que se disuelve el soluto. Disoluión, es el onjunto formado por el soluto y el disolvente En aquellos asos en los que pueda existir duda sobre quién es el soluto y quién el disolvente se onsidera disolvente al omponente que está en mayor proporión y soluto al que se enuentra en menor proporión. Hay muhos tipos de disoluiones. Se menionan a ontinuaión las más importantes: sólido - líquido. Ejemplo: azúar y agua. El soluto es el sólido y el disolvente el líquido. líquido líquido. Ejemplo: alohol y agua. Si preparamos una disoluión mezlando 250 m de alohol y 500 m de agua, el soluto será el alohol y el disolvente el agua. líquido- gas. Ejemplo: oxígeno y agua. El soluto es el gas, el disolvente el líquido. gas gas. Ejemplo: el aire. Se onsidera soluto el oxígeno (21%) y disolvente el nitrógeno (79%) (se onsidera que el aire está formado sólo por oxígeno y nitrógeno). La disoluión de un sólido es un proeso bastante omplejo que implia la rotura de los enlaes existentes entre los iones del sólido que abandonan el ristal y se rodean de moléulas del disolvente (solvataión). La solvataión de los iones es un proeso exotérmio, graias al ual la disoluión del sólido es un proeso espontáneo. Moléula de agua (disolvente) iones solvatados Cuánto soluto se puede disolver en una antidad dada de disolvente? Podemos ontestar que una antidad máxima. Si vamos añadiendo soluto (p.e. azúar) poo a poo, observamos que al prinipio se disuelve sin difiultad, pero si seguimos añadiendo llega un momento en que el disolvente no es apaz de disolver más soluto y éste permanee en estado sólido, posando en el fondo del reipiente. La antidad máxima de soluto que se puede disolver reibe el nombre de solubilidad y depende de varios fatores: De quién sea el soluto y el disolvente. Hay sustania que se disuelven mejor en unos disolventes que en otros. De la temperatura. Normalmente la solubilidad de una sustania aumenta on la temperatura. 1

2 Como las disoluiones se pueden preparar mezlando antidades variables de soluto y disolvente, se hae neesario estableer una forma para poder indiar estas antidades, lo que se onoe on el nombre de onentraión de la disoluión. Una manera (muy poo preisa) de indiar la onentraión de una disoluión es on las palabras: diluida, onentrada y saturada. Disoluión diluida: aquella que ontiene una antidad pequeña de soluto disuelto. Disoluión onentrada: si tiene una antidad onsiderable de soluto disuelto. Disoluión saturada: la que no admite más soluto (ver más arriba) Es fáil de entender que expresar la onentraión de una disoluión usando los términos diluida, onentrada o saturada es muy impreiso, por eso se hae neesario dar un valor numério, lque se onoe on el nombre de onentraión de la disoluión. Una forma muy usada para expresar la onentraión de una disoluiones son los g/l : Conentraióneng/L = gramosdesoluto litro de disoluión Observar que en la definiión se die litro de disoluión (onjunto de disolvente y soluto) no de disolvente. Ejemplo 1. India los pasos a seguir para preparar 150 m de disoluión de sal omún de onentraión 15 g/l. Según la definiión de onentraión en gramos litro dada más arriba, la disoluión a preparar ontendrá 15 g de sal omún en 1 litro de disoluión. Calulo la antidad de sal que ontendrán los 150 m de disoluión: 15gsal 150 m disoluión = 2,25gdesal 1000 m disoluión Para preparar la disoluión sigo los siguientes pasos: 1. Se pean en la balanza 2,25 g de sal. 2. En un vaso se eha una antidad de agua inferior a 150 m. Por ejemplo, 125 m. Se disuelve la sal en el agua. Al final del proeso se puede observar que el volumen ya no es 125 m sino algo más, debido a la presenia del soluto disuelto.. Se ompleta on agua hasta los 150 m. 2,25 g sal 125 m agua 2,25 g sal 1. Pesar el soluto 2. Disolver en un volumen de disolvente menor que el de la disoluión que hay que preparar. 150m disoluión. Completar on más disolvente hasta el volumen de disoluión pedido. 2

3 Ejemplo 2. Disponemos de 500 m de una disoluión de azúar en agua uya onentraión es de 20 g/l. Si queremos tener 7 g de azúar qué volumen de disoluión deberemos tomar? Ejemplo Aprovehamos el dato de onentraión para alular la antidad de soluto soliitada: 7gazúar 1litrodisloión 20gazúar = 0,5 l disoluión = 50 m disoluión Preparamos una disoluión de biarbonato en agua, tal que su onentraión sea de 25 g/l. Si tomamos 125 m de esta disoluión qué antidad de biarbonato estaremos tomando? 125 m disoluión 25 g biarbonato 1000 m disoluión =,1 g biarbonato Otra forma de expresar la onentraión, quizás la más araterístia, es la molaridad. Se define molaridad (M) omo moles de soluto por litro de disoluión. Molaridad(M) = molesdesoluto litro de disoluión Ejemplo 4 Se desean preparar 250 m de una disoluión de loruro potásio en agua, uya onentraión sea 0,0 M. Realizar los álulos neesarios e indiar ómo se proedería. Una disoluión 0,0 M es la que ontiene 0,0 moles de soluto por litro de disoluión. Calulamos por tanto la antidad de soluto neesario: 250 m disoluión 0,0 moles KCl 74,6 g KCl = 5,6 g KCl 1000 m disol. 1 mol KCl Fator que onvierte m de disoluión en moles de soluto Fator que onvierte moles en gramos. Disolveríamos 5,6 g de KCl en 200 m de agua. Una vez disuelto lo transvasamos a un matraz aforado de 250 m y ompletamos, enrasando on uidado, hasta 250 m. Ejemplo 5 Para ierta reaión químia neesitamos tomar 5,4 g de sulfato de obre (II) y se dispone de una disoluión de diha sal de onentraión 1,50 M. Calular el volumen de disoluión que sería neesario tomar. Fator que onvierte gramos en moles. 5,4 g CuSO 4 1 moles CuSO 4 159,6 g CuSO m disol. 1,50 mol CuSO 4 = 22,6 m disoluión Fator que onvierte moles de soluto en m de disoluión.

4 Aunque la molaridad sea la forma más omún de expresar la onentraión de una disoluión en químia, también se usa bastante el tanto por iento en peso. Se define el tanto por iento en peso omo los gramos de soluto que hay por 100 g de disoluión. g soluto Tanto por iento en peso (%) = 100 g disoluión Normalmente esta forma de expresar la onentraión viene omplementada por el dato de la densidad de la disoluión que permite transformar gramos de disoluión en m. Ejemplo 6. Se dispone de una disoluión de áido lorhídrio de onentraión 5 % (d= 1,18 g/m ). a) Determinar el volumen de la misma que se debe tomar si se desea que ontenga 10,5 g de HCl b) Calular su onentraión en moles/l. a) El dato de densidad permite transformar gramos de disoluión en m. 10,5 g HCl 100 g disol. 1m disol = 25,4 m disoluión 5,0 g HCl 1,18 g disol Fator que onvierte gramos de soluto en gramos de disoluión. b) El dato de densidad permite transformar gramos de disoluión en m. 5,0 g HCl 1,18 g disol 100 g diso l 1 m disol 1mol HCl 1000 m disol moles HCl = 11,2 = 11,2 M 6,5 g HCl 1L disol L Ejemplo 7 Se dispone de áido nítrio del 70% (d = 1,41 g/m ) y se desea preparar 250 m de una disoluión 2,5 M. Indiar ómo se proedería. Fator que onvierte gramos de soluto en moles. Primero alulamos la antidad de soluto (HNO ) neesario para preparar 250 m de disoluión de onentraión 2,5 M: 2,5 moles HNO. = 0,625 moles HNO 1000 m disol. 250 m disol 6,0 g HNO 0,625 moles HNO 1 mol HNO = 9,4 g HNO Calulamos ahora el volumen de áido del 70% que ontenga esa antidad de HNO 9,4 g HNO 100 g áido 70 g HNO 1m áido. 1,41 g áido = 9,9 m áido 4

5 Para preparar la disoluión deberemos medir 9,9 m de áido del 70 %, ehar agua (unos 150 m ) en un matraz aforado de 250 m y verter el áido sobre el agua. A ontinuaión añadir más agua on uidado hasta ompletar los 250 m. A la hora de resolver problemas de disoluiones onviene tener en uenta algunas osas: La mayor parte de los problemas se reduen a transformar soluto en disoluión o a la inversa. La lave para haerlo está en el dato de onentraión que es el fator de onversión que permite realizar la transformaión busada: Soluto Disoluión Conentraión La difiultad estriba, normalmente, en que las unidades del soluto o de la disoluión no oiniden on las del dato de onentraión y es neesario realizar una transformaión previa para poder introduir el fator de onversión failitado por el dato de onentraión. Siendo un dato fundamental en la resoluión del problema planteado es impresindible expliitar on laridad uál es el signifiado del dato de onentraión. El dato de densidad de la disoluión permite pasar de masa (g) de disoluión a volumen (ml) de disoluión. Masa Volumen Densidad Es onveniente tener laro la diferenia entre el dato de densidad (expresado normalmente en g/ml) y la onentraión si está expresada en g/l o en g/ml El dato de densidad se refiere siempre a la disoluión y nos informa de ual es la masa de la unidad de volumen. Si tenemos, por ejemplo, una disoluión de áido sulfúrio uya densidad sea 1,80 g/ml, podemos asegurar que si medimos 1 ml de la misma su masa será 1,80 g. O bien, que 250 ml (por ejemplo) tendrán una masa de 450 g. Ejemplo. 8 Se neesitan 1,0 moles de áido nítrio (HNO ). Qué volumen de áido del 6% y d = 1,22 g/ml deberemos tomar? El problema radia en pasar de soluto (HNO ) a disoluión (del 6%). Analiemos el dato de onentraión: Áido del 6% signifia que de 100 g de disoluión (que llamaremos "áido") 6 g son de áido nítrio puro (HNO ) y el resto (64 g) de agua. Es deir: 6 g HNO 100 g áido Partamos del dato (1,0 moles de HNO ). Si tratamos de onvertirlo en disoluión (áido) usando el dato de onentraión (ver arriba), vemos que no es posible, ya que en éste el soluto no está expresado en moles sino en gramos. En onseuenia hemos de introduir un fator de onversión previo que transforme moles en gramos: 1,0 moles HNO 6 g HNO 1 mol HNO 6 g HNO 100 g áido = 227,5 g áido Dato de partida Dato de onentraión Fator intermedio para transformar moles en gramos 5

6 Para llegar a la soluión busada sólo nos resta transformar gramos de áido en ml de áido, para lo ual usamos el dato de densidad: 227,5 g áido 1ml áido 1,22 g áido = 186,5 ml Dato de densidad. El problema puede resolverse en un sólo paso enlazando todos los fatores según se muestra a ontinuaión: 1,0 moles HNO 6 g HNO 1 mol HNO 100 g áido 6 g HNO 1ml áido 1,22 g áido = 186,5 ml áido A la hora de preparar una disoluión el primer dato que deberemos de tener es la antidad de soluto neesario. Si no nos lo dan, ese será el primer álulo. Una vez obtenido estamos en el aso típio de pasar de soluto a disoluión. Ejemplo. 9 Se desea preparar 250 ml de una disoluión 0,5 M a partir de otra 6,5 M. Indiar el proedimiento El primer paso será saber la antidad de soluto neesario partiendo del dato dado en el enuniado, 250 ml de disoluión (paso de disoluión a soluto): 250 ml disoluión 0,5 moles soluto 1000 ml disol = 0,125 moles soluto Ahora transformamos moles de soluto en volumen de la segunda disoluión (paso de soluto a disoluión): 0,125 moles soluto 1000 ml disol 6,5 moles soluto = 19,2 ml disoluión Como en el ejemplo anterior el problema se puede resolver en un solo paso (dis1= disoluión 0,5 M y dis2 = disoluión 6,5 M) 250 ml dis1 0,5 moles soluto 1000 ml dis ml dis2 6,5 moles soluto = 19,2 ml dis2 Proedimiento: 1. Medimos 19,2 ml de la disoluión 6,5 M. Esos 19,2 ml ontienen 0,125 moles de soluto. 2. Añadimos agua hasta ompletar 250 ml de disoluión. La disoluión obtenida ontendrá, por tanto, 0,125 moles de soluto en 250 ml de disoluión (será 0,5 M) 6

7 El tanto por iento en volumen es otra forma de expresar la onentraión usada, fundamentalmente en mezlas de gases y, también, para expresar la graduaión alohólia de las bebidas Se define el tanto por iento en volumen omo el volumen de soluto que hay en 100 volúmenes de disoluión: volumen soluto Tanto por iento en volumen (%) = 100 volúmenes disoluión Un ejemplo típio de esta forma de dar la onentraión es la omposiión volumétria del aire: Composiión volumétria O 2 : 21 % N 2 : 78 % Otros: 1 % En 100 L de aire hay: 21 L de O 2 78 L de N 2 1 L de otros gases En 100 ml de aire hay: 21 ml de O 2 78 ml de N 2 1 ml de otros gases Un dato importante es que existe una relaión entre el tanto por iento en volumen, el número de moles de ada omponente y el número de moles totales de gas (mezla): Apliando la euaión de los gases, el volumen (total) de la mezla vendría dado por: ntot R T P VTot = ntot R T ; VTot = P El volumen oupado por el gas A a la temperatura y presión de la mezla, sería: na R T P VA = na R T ; VA = P na R T Dividiendo ambas expresiones, obtenemos: VA na VA na = P = = x A ; = = x V n Tot Tot R T ntot VTot ntot P VA na % volumen na Por tanto: = = xa = ; xa = fraión molar del omponente A = VTot ntot 100 n tot Así, onsiderando el ejemplo del aire, podemos deir que: Composiión volumétria O 2 : 21 % N 2 : 78 % Otros: 1 % En 1 mol de aire hay: 0,21 moles de O 2 0,78 moles de N 2 0,01 moles de otros gases X O2= 0,21 X N2= 0,78 X Otros= 0,01 A En el aso de las bebidas alohólias los grados son, ni más ni menos, el tanto por iento en volumen de alohol. Así, un vino uya graduaión alohólia sea de un 12,5 0 es de un 12,5 % en volumen en alohol. Es deir, en 100 ml de vino hay 12,5 ml de alohol (puro). Si onsideramos que la densidad del alohol es de 0,8 g/ml se puede alular fáilmente la masa de alohol ingerida: 12,5 ml alohol La OMS reomienda no sobrepasar los 0 g de alohol/día para los hombres y los 20 g de alohol/día para las mujeres. El nivel de alohol en sangre (máximo permitido en la onduión de vehíulos: 0,5) se puede alular a partir de las expresiones siguientes: Hombres g alohol ingerido Masa orporal (kg).0,70 0,80 g alohol 1 ml alohol = 10 g alohol Mujeres g alohol ingerido Masa orporal (kg).0,60 7

8 Propiedades oligativas Se denominan propiedades oligativas a aquellas que dependen solo de la antidad de partíulas (átomos, iones o moléulas) de soluto presentes en la disoluión y no de la naturaleza de las mismas. Estudiaremos aquí tres propiedades oligativas de las disoluiones: 1. La temperatura de ebulliión. 2. La temperatura de solidifiaión (o fusión).. La presión osmótia Temperaturas de ebulliión y fusión de una disoluión Cuando se disuelve un soluto (no volátil) en un líquido se puede omprobar experimentalmente que: Se produe un aumento de la temperatura de ebulliión (la disoluión hierve a temperatura más alta que el líquido puro), fenómeno onoido on el nombre de aumento ebullosópio. Se produe un desenso del punto de solidifiaión (la disoluión pasa a sólido a una temperatura inferior a la del líquido puro), lo que se onoe on el nombre de desenso riosópio. La variaión en los puntos de ebulliión o de solidifiaión se puede alular a partir de las siguientes expresiones: Constante ebullosópia. Para disoluiones auosas Ke = 0,52 0 C kg mol -1 T = K m e e Aumento del punto de ebulliión Molalidad de la disoluión moles soluto m = Kg disolvente Constante riosópia. Para disoluiones auosas K = 1,86 0 C kg mol -1 T = K m Desenso del punto de solidifiaión (ongelaión para disoluiones auosas) Molalidad de la disoluión moles soluto m = Kg disolvente El esparir sal (loruro de sodio) en las arreteras en invierno para impedir la formaión de hielo, tiene su fundamento, preisamente, en el desenso de la temperatura de ongelaión de las disoluiones auosas respeto a la temperatura de ongelaión del agua pura. Si llueve, o la alzada se humedee por ualquier ausa, la sal, al disolverse en el agua, forma una disoluión que ongela a una temperatura más baja de 0 0 C, lo que impide que se forme hielo en la alzada. Los antiongelantes usados en los automóviles son disoluiones auosas de etilengliol (1,2-etanodiol : C 2 H 6 O 2 ) o de propilengliol (1,2-propoanodiol: C H 8 O 2 ) en agua. La disoluión resultante tiene un punto de 8

9 ongelaión por debajo de 0 0 C, evitando que el líquido del sistema de refrigeraión del automóvil se ongele si la temperatura desiende muho en invierno (también sube la temperatura de ebulliión). Ejemplo. 10 Un antiongelante india que es una mezla de etilengliol (C 2 H 6 O 2 ) en agua al 25%, alular a qué temperatura ongelará la mezla si la onstante riosópia es 1,86 0 C kg mol -1 Reordando que el desenso riosópio se puede alular a partir de la expresión: T = K m y que la molalidad se define omo los moles de soluto /Kg de disolvente, alulemos la molalidad de la disoluión: A partir del dato del % en masa: en 100 g de disoluión hay 25 g de etilengliol y 75 g de agua: Por tanto: 25 g etilen 75 g H2O 1mol etilen 1000 g H2O 62 g 1kg H O mol etilen = 5,8 kg H O 2 2 T = K m = 1,86 0 C kg mol mol 5,8 kg 0 = 10,0 C Como se produe un desenso de 10 0 C en el punto de ongelaión, la mezla ongelará a C. Ósmosis y presión osmótia Si tenemos agua y una disoluión auosa separadas por una barrera semipermeable (elofán, pergamino, vejigas animales, algunas porelanas... et.) a través de uyos poros puedan pasar solo las moléulas del disolvente, pero no las del soluto, se observa un flujo de disolvente haia la disoluión (1). Este fenómeno reibe el nombre de ósmosis (ver figura 1.a). La ósmosis se produe, igualmente, si se separan por una membrana semipermeable dos disoluiones de distinta onentraión. El flujo de disolvente se produe, entones, de la disoluión más diluida a la más onentrada.. Figura 1.a Figura 1.b (1) En realidad el flujo de disolvente se realiza en ambas direiones, pero omo es más intenso en el sentido disolvente puro-disoluión, el resultado neto es un trasvase de disolvente haia la disoluión. 9

10 Como onseuenia de la ósmosis aparee una diferenia de presión entre el disolvente puro y la disoluión (ver figura 1.b) denominada presión osmótia. Llega un momento que el flujo de disolvente en ambos sentidos se iguala, alanzándose el equilibrio. La presión osmótia no depende del tipo de soluto disuelto, sino de la antidad de partíulas disueltas (moles) y, en el aso de disoluiones diluidas, se puede alular a partir de una euaión similar a la de los gases ideales: Temperatura en K Presión osmótia (atm) π = R T Constante de los gases: 0,082 atm,l /K.mol Conentraión en moles/l La ósmosis se puede detener si sobre la disoluión se ejere una presión que sea justamente la presión osmótia (ver figura 2.a). Se puede definir la presión osmótia omo la presión que ha de ejererse sobre la disoluión para evitar el paso de disolvente. Figura 2.a Figura 2.b La presión osmótia, por tanto, nos da una medida de la tendenia del disolvente para fluir haia la disoluión, ya que uanto mayor sea la presión osmótia de una disoluión, mayor será esa tendenia. Si ahora apliamos sobre la disoluión una presión superior a la osmótia se produirá la salida del disolvente en sentido ontrario (ver figura 2.b). Esto es, desde la disoluión haia el disolvente puro, lo ual onstituye una buena forma de reuperar el disolvente de una disoluión. Este proeso se denomina ósmosis inversa y es el proedimiento usado en las plantas desalinizadoras en las que se obtiene agua dule a partir del agua de mar. La ósmosis juega un papel importante a nivel biológio, ya que una élula oloada en un medio uya onentraión sea idéntia a la del líquido intraelular (disoluión isotónia) no interambia disolvente on el medio, pero si la onentraión del medio es inferior (disoluión hipotónia) se produe una entrada de disolvente haia la élula, que aumenta su tamaño. Si la onentraión del medio es superior (disoluión hipertónia) se produe una salida del disolvente haia el exterior y la élula se arruga y disminuye de tamaño. Célula en un medio isotónio Célula en un medio hipotónio Célula en un medio hipertónio 10

11 DISOLUCIONES PROBLEMAS IES La Magdalena. Avilés. Asturias 1. Calular la molaridad de una disoluión de HCl que ontiene 125,0 g de soluto en 800 ml de disoluión. Sol: 4,28 M 2. Indiar el proedimiento para preparar 500 ml de disoluión 0,5 M de NaCl Sol: Pesar 14,6 g de NaCl, disolver en menos de 500 ml y ompletar después hasta 500 ml. Tenemos una disoluión 6 M de Na 2 SO 4. Qué volumen de la misma deberemos tomar si queremos que ontenga 125,5 g de soluto? Sol: 147, ml 4. Calular la antidad de NaOH neesaria para preparar 250 ml de disoluión 4,5 M Sol: 45,0 g 5. Calular el volumen de áido lorhídrio 0,40 M que hemos de tomar para que ontenga 0,2 moles. Sol: 800 ml 6. Calular la molaridad de un disoluión de áido sulfúrio al 98%, uya densidad es 1,80 g/ml. Sol: 18,00 M 7. Para ierta reaión químia se neesitan 0,25 moles de HCl. Qué volumen se ha de tomar de un áido lorhídrio del 5 % y densidad 1,18 g/ml? Sol: 22,1 ml 8. Calular la molaridad de un disoluión de áido lorhídrio al 7,2%, uya densidad es 1,19 g/ml. Sol: 12,14 M 9. Se neesitan 1,0 moles de áido nítrio (HNO ) Qué volumen de áido del 6 % y densidad 1,22 g/ml deberemos tomar? Sol: 186,5 ml 10. Se quiere preparar 500 ml de una disoluión 0,0 M de áido sulfúrio a partir de áido de 98 % (d= 1,80 g/ml). Indiar el proedimiento a seguir. Sol: medir 8, ml de áido onentrado, disolver en agua lentamente y agitando (ehar el áido sobre el agua) y ompletar, una vez disuelto, hasta los 500 ml 11. Se quiere preparar 2,0 litros de una disoluión 0,5 M de áido lorhídrio y para ello se dispone de áido del 7 % (d = 1,19 g/ml). Indiar el proedimiento a seguir. Sol: medir 82,9 ml de áido onentrado, disolver en agua lentamente y agitando y ompletar, una vez disuelto, hasta los 2,0 litros. 12. Se toman 72,0 g de áido aétio (C 2 H 4 O 2 ) y se disuelve en un poo de agua, ompletando posteriormente on agua hasta los 600 ml. Posteriormente se toman 100 ml a los que se añaden 200 ml de una disoluión 4,0 M de áido aétio y después se ompleta on agua hasta el medio litro. Cuál será la molaridad de la disoluión final? Sol: 2,0 M 1. Calular los puntos de ebulliión y ongelaión de una disoluión 0,2 molal (Ke = 0,52 0 C kg mol -1 ; K = 1,86 0 C kg mol -1 ) Sol: Teb= 100,104 0 C; T= - 0,72 0 C 14. Calular, a 18 0 C, la presión osmótia de una disoluión de gluosa (C 6 H 12 O 6 ), que ontiene 1,0 g de sustania en 20 m Sol: 6,6 atm. 11