SEMINARIO FORMATIVO SOBRE PREPARACIÓN DE SOLUCIONES

Transcripción

1 UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ DEPARTAMENTO CENTRAL DE INVESTIGACIÓN SEMINARIO FORMATIVO SOBRE PREPARACIÓN DE SOLUCIONES Preparado por: Dr. Julio César Marín L. Prometeo-SENESCYT Manta, septiembre de 2013

2 Para caracterizar la composición de materiales que no están formados por un elemento puro de tipo único o un compuesto puro de tipo único, se emplean cuatro tipos fundamentales de expresiones: A. Medidas de peso-peso Expresan la razón del peso de un componente y el peso del todo. El porcentaje en peso, que se abrevia %peso o %p/p, es la razón del peso de un componente como parte de toda la mezcla expresada como porcentaje, es decir, %p/p = (masa del componente/masa de la muestra) x 100 y deben emplearse las mismas unidades de masa. Ocasionalmente, la expresión %p/p se llama partes porcentuales. Ejemplo 1 Una muestra pesa 1,2304 g y contiene 0,1012 g de Fe Cuál es el contenido de Fe en % en peso? R= el contenido de Fe es 8,22%. Cuando la muestra contiene una cantidad menor de algún componente que pueda expresarse de manera conveniente como % en peso, la siguiente unidad más pequeña que se utiliza son partes por millar (que se abrevia ppt o ) y es análoga a las partes porcentuales. Las fracciones más pequeñas se describen en partes por millón (ppm): ppm = (gramos de analito/gramos de muestra) x 10 6

3 Las partes por billón (ppb) y las partes por trillón (pptr) se definen de manera similar, pero la proporción se multiplica por 10 9 ó 10 12, respectivamente. Las medidas de peso con respecto a peso también pueden expresarse de manera fraccionaria. Por ejemplo, la muestra contiene 33 μg/mg del componente X. Esa cantidad equivale a 33 partes por millar. Las siguientes equivalencias también son válidas: partes por millón = μg/g partes por billón = ng/g partes por trillón = pg/g Para adquirir un concepto intuitivo del tamaño de estas medidas, una gota es una ppm de 50 L de agua. Un cristal de sal de 0,5 mm por lado, disuelto en media taza de agua (250 g) equivale aproximadamente a una ppm de sal. La mitad de ese cristal de sal en el interior del cuerpo humano equivale aproximadamente a una ppb. En la Tabla 1 se muestran las unidades que se emplean con mayor frecuencia para expresar el contenido de una solución.

4 B. Medidas de peso-volumen Al realizar una medida de peso volumen, el peso del componente se compara contra el volumen total de material. Generalmente, el peso se expresa en gramos y el volumen en ml. Ejemplo 2 Cuál es la razón peso-volumen de 1,25 g de Ca en 250 ml de solución, en g/ml? R= 1,25 g / 250 ml = 0,005 g/ml. Se puede ampliar el uso de las medidas de p/v para incluir el porcentaje, escrito como %p/v, y también para ppm y ppb. Sin embargo, las medidas de ppm y ppb sólo pueden emplearse si se transforman las unidades a g/ml o Kg/L. Si estas unidades no se hubiesen fijado convencionalmente, las medidas ppm y ppb resultarían ambiguas: %p/v = (masa de soluto/volumen de muestra) x 100 Para el caso del ejemplo 2: R= (1,25 g / 250 ml) x 100 = 0,5%p/v. Se realizan cálculos similares para ppm y ppb. Ejemplo 3 Cuál es la concentración peso-volumen (p/v) en ppm de Na, en una solución que contiene 2,500 mg de Na en 500 ml? R= una vez transformada la masa en gramos, se calculan las ppm según la definición anterior x (2,500 x 10-3 g/500 ml) = 5,000 ppm (p/v) Por otro lado, como la densidad de los disolventes varía con la temperatura, si se desea transformar medidas de p/p a p/v, es necesario conocer la densidad de la solución. Elaborado por: Prof. Julio César Marín L., Sep 2013

5 Ejemplo 4 Una solución stock (madre) de KI contiene 107,6 g de KI por litro. La densidad de la solución a 20 C es 1,0781 g/ml. Cuál es la concentración de la solución en %p/v y %p/p? R= para encontrar el %p/v, basta con transformar el volumen de L a ml: %p/v = (g de solución/ml de solución) x 100 = (107,6 g/1000 ml) x 100 = 10,76%p/v Para asegurar que la transformación a %p/p sea correcta, hay que tener en cuenta las unidades empleadas. En este caso, la medida p/v en g/ml de KI se convierte en p/p multiplicando por ml/g, el recíproco de la densidad: %p/p = (g de soluto/ml de solución) x (ml de solución/g de solución) x 100 = (g de soluto/g de solución) x 100 = (0,1076 g KI/mL) x (1 ml/1,0781 g) x 100 = (0,0998 g KI/g de solución) x 100 = 9,98%p/p. Una ventaja de emplear agua como disolvente es que para soluciones diluidas, las medidas de p/p y p/v son prácticamente equivalentes. Por ejemplo, ppm (p/v) y ppm (p/p) pueden considerarse prácticamente iguales, ya que 1 ml de solución acuosa diluida pesa casi exactamente 1 g. Por definición a 3,98 C, 1 cm 3 de agua pesa exactamente 1 g. Esta equivalencia de p/p y p/v para soluciones acuosas no es válida para soluciones más concentradas, ni tampoco cuando el disolvente no es agua.

6 C. Medidas de número-volumen La molaridad (M) se define como el número de moles de soluto en un litro de solución y es una medida de número con respecto al volumen. Como el mol puede ser un peso, también se considera medida de peso-volumen. Ejemplo 5 Se disuelven 2,354 g de KNO 3 en exactamente 250 ml de solución total. Cuál es la concentración molar de la solución? R= como el peso molecular del KNO 3 es 101,1 g/mol, ((2,354 g/101,1 g/mol)/0,250 L) = 0,0931 M En las reacciones ácido-base y de óxido reducción, no es necesario conocer las propiedades químicas de la muestra para medir el número de moles de protones o electrones transferidos por litro de solución. Por lo que respecta a transferencia de protones, la masa de reactivo que transfiere un mol de protones se llama equivalente. De manera similar la masa de un reactivo de óxido-reducción que puede transferir un mol de electrones también se llama equivalente. Los equivalentes por mol son una medida de p/p que constituye una cifra pequeña y entera. El número de equivalentes contenidos en un litro de volumen se llama normalidad (N). Para un reactivo o analito con estequiometría conocida, la normalidad se relaciona con la molaridad mediante la ecuación siguiente: Normalidad = molaridad x número de equivalentes/mol Para reacciones ácido-base: Normalidad = molaridad x equivalentes de protones/mol Elaborado por: Prof. Julio César Marín L., Sep 2013

7 Ejemplo 6 Compare las normalidades de una solución 1 M de ácido acético (CH 3 COOH) y una solución 1M de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ): R= cada molécula de CH 3 COOH tiene cuatro (4) protones. Sin embargo, la química descriptiva del ácido acético en agua indica que dona sólo uno (1) de ellos (ácido débil): CH 3 COOH + H 2 O H 3 O + + CH 3 COO - Como 1 mol de ácido acético dona solamente un equivalente de protones en agua, su normalidad es igual a su molaridad (N=M). Por otra parte, el ácido fuerte H 2 SO 4 puede donar dos protones a una base. Una solución 1 M de ácido sulfúrico contiene dos equivalentes de protones y actúa como solución 2 N (N M). En las reacciones de óxido-reducción, el número de equivalentes es igual al número de moles de electrones que en realidad se donan o son aceptados en la reacción. La ecuación general para normalidad es: Normalidad = molaridad x equivalentes de e- transferidos/mol

8 Ejemplo 7 El permanganato se emplea como reactivo en diversos análisis. Reacciona dando cinco (5) electrones para formar el ion manganoso: 5e - + 8H + + MnO4 - = Mn H 2 O Cuál es la normalidad de la solución de KMnO4 0,1 M? R= como cada mol de ion permanganato dona 5 moles de electrones, su normalidad equivale a cinco veces el valor de su molaridad. De modo que una solución 0,1 M de permanganato es 0,5 N en estas condiciones ácidas. Uno de los beneficios de emplear la normalidad como medida del contenido, es que no es necesario conocer las propiedades químicas de la especie donante. Por ejemplo, es difícil escribir ecuaciones de reacción para soluciones muy complejas. Pero al emplear la normalidad, se puede estabilizar el reactivo para encontrar los equivalentes de protones o electrones en un volumen dado.

9 D. Medidas de volumen-volumen Esta medida del contenido expresa el volumen de un componente como parte del volumen total del material. Esta medida volumen-volumen se expresa de manera muy similar a los dos tipos anteriores: porcentaje en volumen (%v/v) y también ppt (v/v), ppm (v/v) y ppb (v/v). Se emplea con mayor frecuencia para los componentes líquidos de una muestra líquida o los componentes gaseosos de una muestra de gases (Tabla 1). Hay otra medida v/v que se emplea con frecuencia, la cual indica la notación de razones: por ejemplo, una mezcla metanol-agua 1:2. Esto significa que un volumen de metanol se mezcla con el doble de dicho volumen de agua, para constituir una solución. Estas medidas se emplean con frecuencia en instrucciones para preparar disolventes mixtos. E. Las disoluciones A menudo es conveniente mantener soluciones stock (madre) de reactivos en el laboratorio. Una solución madre es más concentrada que la solución que se emplea en algún paso del análisis y que guarda otros requerimientos especiales. Hay muchos motivos para emplearla, entre ellos la facilidad y velocidad de preparación de reactivos analíticos menos concentrados; la estabilización de algunos materiales que se deterioran al estar más diluidos, y para evitar el desperdicio de reactivos higroscópicos, que absorben agua en contacto con la atmósfera.

10 La cantidad de solución madre necesaria para preparar la solución de reactivo deseada es fácil de calcular, pues la cantidad total de soluto no se modifica al diluirla. Es decir: Cantidad de soluto = concentración x volumen y la cantidad de soluto permanece fija. Otra forma más sencilla es: V1 x C1 = V2 x C2 Ambas medidas de volumen, V1 y V2, tienen unidades idénticas, como por ejemplo ml o L. De manera similar, ambas concentraciones, C1 y C2, tienen unidades iguales, como por ejemplo M, N o ppm (unidades químicas). Ejemplo 8 Se cuenta con una solución madre de ácido nítrico (HNO 3 ) 10,0 M. Cuántos ml de esta solución se requieren para preparar 500 ml de una solución de HNO 3 0,50 M? R= igual que para cualquier dilución de líquidos: V1 x 10,0 M = 500 ml x 0,5 M V1 = 25,0 ml Este método se basa simplemente en la Ley de Conservación de la Masa.

11 Ejemplo 9 El ácido clorhídrico (HCl) concentrado contiene de 37 a 38 %p/p y su densidad es 1,18 g/ml en esta rango de concentración. Cuántos ml de HCl concentrado se requieren para preparar 1 L de solución 0,10 M? Considere HCl al 37% y con una densidad de 1,18 g/ml. R= primero se debe transformar 37 %p/p a molaridad. Para ello: (37 g de HCl/100 g de reactivo) x (1,18 g de reactivo/ml de solución) x (1 mol de HCl/36,5 g de HCl) x (1000 ml/1 L) = 12,0 moles/l = 12,0 M. Ahora se aplica la ecuación de dilución: V1 x 12,0 M = 1000 ml x 0,10 M = 8,33 ml de HCl concentrado. Nota: no se deben preparar soluciones muy diluidas a partir de reactivos de alta concentración, lo recomendable es preparar una serie de soluciones intermedias para medir con precisión los volúmenes requeridos. Finalmente, una ecuación ampliamente usada para el cálculo de la dilución de las muestras (cuando es necesario diluir las muestras, debido a la alta concentración de los analitos), es la siguiente: Factor de dilución = (ml de muestra + ml de agua destilada)/ml de muestra Para obtener la concentración del analito en la muestra original, su concentración debe ser multiplicada por este factor de dilución.