CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE PROBLEMAS Nº 5

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1 CÁTEDRA: QUÍMICA GUÍA DE PROBLEMAS Nº 5 TEMA: ESTEQUIOMETRÍA DE SOLUCIONES OBJETIVOS: Resolver problemas basados en la estequiometría de las soluciones, ampliando los conocimientos para ser aplicados criteriosamente en el laboratorio. PRERREQUISITOS: Conocimientos de las formas de concentración más comunes: % m/m; % m/v, molaridad, molalidad y fracción molar. INTRODUCCIÓN TEÓRICA. Una solución (sol) es una mezcla homogénea de dos o más sustancias puras, de composición variable y fraccionable por métodos químicos. Los componentes de la solución se denominan soluto (sto) y solvente (svte) pudiendo hallarse ambos en cualquier estado de agregación. Soluto es el componente que se halla en menor proporción. Por otro lado el solvente es quien dispersa al soluto o bien el componente en mayor proporción o aquel que se halla en el mismo estado físico que la solución. Las soluciones más comunes son las de solutos sólidos en agua, solvente por excelencia, ya que por la naturaleza de sus moléculas facilita la disolución de gases, líquidos y sólidos. La concentración de una solución es la expresión de su composición relativa, es decir, la relación entre soluto y solvente que puede establecerse entre masas o masas y volúmenes. Clasificación de las soluciones según su concentración: Diluidas: Contienen sólo una pequeña cantidad de soluto. Concentradas: Contienen soluto en una cantidad próxima al límite de solubilidad. Saturadas: Aquellas que a una temperatura dada no admiten más soluto. Sobresaturadas: Contienen mayor cantidad de soluto del que pueden disolver. La solubilidad de un soluto en un solvente es la concentración de su solución saturada, expresada en gramos de soluto/100 g de solvente. Esta depende de la naturaleza de ambos componentes, de la temperatura y de la presión. FORMAS MÁS COMUNES DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN: FÍSICAS: % m/m: g de soluto/100 g de solución (porcentaje en masa o en peso) % m/v: g de soluto/100 ml de solución (porcentaje en volumen) QUÍMICAS: Molaridad (M): Número de moles de un componente en 1 L de solución nº moles de soluto M = Volumen solución (L) Molalidad (m): Número de moles de un componente por cada 1000 g de solvente puro Química FI UNPSJB 2015 Página 45

2 m = nº moles de soluto Masa de solvente (Kg) Fracción molar: Relación entre el numero de moles de un componente y el numero de moles totales. nº moles de soluto nº moles de solvente X soluto = X disolvnete = n de moles totales n de moles totales = + Si lo visualizamos esquemáticamente: Molalidad Fracción molar Molaridad DILUCIÓN DE SOLUCIONES Las soluciones concentradas normalmente se guardan en el laboratorio y se diluyen antes de utilizarlas. La dilución es el procedimiento que se sigue para preparar una solución menos concentrada a partir de una más concentrada. Para diluir agregamos solvente a la solución, con lo que la concentración de la solución original cambia (disminuye) sin que cambie el número de moles de soluto presente en la misma. ó = é ó = Química FI UNPSJB 2015 Página 46

3 Donde Mi y Mf son las concentraciones molares de la solución inicial y final y Vi y Vf son los volúmenes respectivos de la solución inicial y final. Desde luego las unidades de Vi y Vf deben ser las mismas (ml o L) para que los cálculos funcionen. PROBLEMAS RESUELTOS 1.- Cómo prepararía 5,00 L de permanganato de potasio 0,050M a partir del reactivo sólido? Escribir la fórmula del compuesto, que está conformado por el ión permanganato y el ión potasio: KMnO 4 Determinar la masa molar del KMnO 4 (sto) = 158,03 g/mol Luego determinar la masa de KMnO 4 necesaria para preparar la solución: masa de KMnO " = #,#%# &'()* +),-./ 0 1 %,# 2 *'( 1 3%4,#5 6,-./ *'( 1 3 &'(,-./ 0 =39,5 g Peso 39,5 g de KMnO 4 y disuelvo con agua destilada llevando a volumen final de 5,00 L. 2.- Cuántos gramos de agua deben usarse para disolver 128 g de metanol (CH 3 OH) y obtener una solución 37 molal? Cuáles son las fracciones molares del soluto (sto) y solvente (svte)? = 128 >? CDA 5E F CDA =4 Como la solución es 37 molal significa que tenemos 37 moles de soluto en 1 kg de solvente entonces: = 4? =108,1 >? 3### F HI CJDI HI CDA CJDI 34 F = 6,0 =108,1 > NADOBIC = CDA + CJDI = 4 +6 = 10? CDA HI DADOBIC = " 3# =0,4? CJDI HI DADOBIC = P 3# =0,6 3.- El ácido sulfúrico comercial es una solución al 96,4 % en masa de ácido y su densidad es de 1,84 g/ml. Calcule la molaridad de dicho ácido. MM H2SO4 = 98,1 g/mol á = 3,4" F CAB CAB? SP," F CDA 3## F CAB? CDA S4,3 F CDA? CAB 3 R CAB = 18,1 Química FI UNPSJB 2015 Página 47

4 4.- Determinar la masa de de hidróxido de sodio necesaria para preparar 1,50 L de solución 0,215M a partir del reactivo comercial hidróxido de sodio 80 % pureza. Cómo se procedería en el laboratorio? a) Escribir la fórmula del compuesto y calcular su masa molar: MM NaOH = 40 g/mol b) Calcular la masa de hidróxido de sodio necesaria: TOUV = CDA 3R HI CAB? 1,50 W? "# F CDA CDA =12,9 > c) Como el NaOH disponible es de 80% pureza se requiere pesar más: X X = 3E,S F HI CDA YZ[A \ 3## 4# F YZ[A =16,125 > Es decir que debe tomar 16,12 g de reactivo comercial y llevar a 1,50 L con agua destilada para obtener la solución final pedida. Preguntas de repaso: 1.- a) Describa la molécula de agua. Menciones sus propiedades físicas y químicas características b) Por qué el hielo flota en el agua? Flotaría también en alcohol etílico, densidad= 0,789 g/ml)? Explica tu respuesta 2.- La presión de vapor de un líquido en un recipiente cerrado depende de: a. Las fuerzas intermoleculares de la sustancia b. La cantidad de líquido presente c. La temperatura d. La forma del recipiente (Justifique su respuesta) 3.- Utiliza el gráfico para determinar a- La temperatura de ebullición normal del agua y de la acetona b- Indicar cuál de las cuatro sustancias es la más volátil. Justifique c- Determinar la presión de vapor del ácido acético a 60ºC y del éter etílico a 20ºC 4.- Para preparar una solución 15 M a partir de otra de los mismos componentes pero 18 M debo: a) Agregar moles de soluto. b) Agregar un volumen determinado de solvente c) Preparar la solución nuevamente 5.-Marcar los planteos incorrectos y razonar el por qué: a) Solución de acido clorhídrico en agua de fracción molar 4. Química FI UNPSJB 2015 Página 48

5 b) Solución de agua en cloruro de sodio. c) Solución de sulfato ferroso en agua 0,3 Molar. 6- Si preparo una solución de concentración 1 Molar a 25 º C Cambiará su concentración al variar la temperatura? Por qué? 7.- Si se prepara 1L de solución acuosa disolviendo X gramos de cada uno de los siguientes solutos: a) Cloruro de sodio b) nitrato de plata c) sacarosa (C 12 H 22 O 11 ) Con cuál de ellos se obtendrá la mayor concentración molar? Justifique EJERCITACIÓN 1.- De acuerdo al gráfico, contestar las siguientes preguntas: a) Qué masa de KClO 3 puede disolverse a 25 C en 100 g de agua? b) Qué masa de NaCl se debe disolver en 300g de agua para obtener una solución saturada a 60 C? c) De las sales que se muestran, cuál es la más soluble a 40 C? Justifique d) A qué temperatura se puede disolver la misma cantidad de Na 2 SO 4 y NH 4 Cl? 2.- Se forma una solución mezclando 25 g de hidróxido de calcio en 50 ml de agua. Calcular el % en masa de la solución. Considerar la densidad del agua igual a 1g/mL. 3.- Una solución contiene 144,06 g de ácido sulfúrico por litro. Si la densidad de la solución es 1,129 g/ml. Calcular el % en masa y % en volumen de ese ácido. 4.- Se forma una solución mezclando 18 g de sulfato de potasio en 100 ml de agua, obteniéndose 106 ml de solución, calcular: a) molalidad de la solución b) densidad de la solución 5.- a. Hallar la concentración en % m/v de una solución de hidróxido de sodio al 30% en masa y densidad 1,20 g/ml. b. Determinar la masa de sulfato cúprico pentahidratado necesaria para preparar 200 ml de solución de sulfato cúprico 1,25 M c. Determinar la masa de hidróxido de sodio de 97% de pureza necesaria para preparar 500 ml de solución de hidróxido de sodio 0,7 M 6.- Calcular el volumen de una solución de ácido sulfúrico 13% m/m (ρ = 1,06 g/cm 3 ) que se requiere para preparar: a) 0,350 kg de solución 0,9 m b) 0,15 dm 3 de solución 0,5 M 7. a. Calcular la molaridad de una solución de acido sulfúrico 37% m/m y ρ = 1,19 g/ml. Química FI UNPSJB 2015 Página 49

6 b. Calcular la masa de soluto y solvente necesarias para preparar 400 ml de la solución anterior 8.- Calcular la molaridad y molalidad de las siguientes soluciones acuosas: a) sosa cáustica (hidróxido de sodio comercial al 50,5 % m/m, densidad: 1,53 g/ml) b) óleum (acido sulfúrico comercial al 98 % m/m, densidad: 1,84 g/ml) 9.- Calcule la molalidad de las siguientes soluciones acuosas: a) Solución 3 % de hidróxido de potasio en masa. b) Solución 0,4 M de acido nitroso (considere densidad de la solución: 1 g/ml) 10.- Calcule la fracción molar de soluto y solvente en las siguientes soluciones: a) Solución acuosa de cloruro de sodio 1,3 M (considere densidad de la solución: 1 g/ml) b) Solución acuosa de bromuro de potasio 3,7 % en masa Que volumen de acido clorhídrico del 38 % en masa, densidad 1,19 g/ml ha de medirse para obtener 2,5 L de solución 0,10 M? 12.- Se tiene un solución acuosa de acido perclórico al 40 % en masa y densidad 1,21 g/ml. Calcular la M y fracción molar del acido en agua Si 25 ml de solución 2,5 M de sulfato cúprico se diluyen con agua hasta 450 ml a) Cuántos gramos de sal hay en la solución original? b) Calcular la molaridad de la solución resultante 14.- Se mezclan 25 ml de solución 0,1 M de acido clorhídrico con 50 ml de otra solución 0,2 M del mismo ácido. Cuál será la concentración final de la solución en M? 15.- Calcular el volumen de ácido clorhídrico 2,20 M necesario para preparar 500 ml de una solución 5% m/m (ρ = 1,028 g/cm 3 ) Una empresa farmacéutica pide a cierta planta de tratamiento y envasado de reactivos químicos que le preparen 100 botellas de 1 L de acido sulfúrico 0,10 M. Si el acido disponible es del 96% en masa y densidad 1,858 g/ml. Calcular: a) la masa de ácido del 96 % necesario para preparar las 100 botellas. b) el volumen de ácido del 96 % usado por litro de solución. Problemas propuestos 1.- A qué volumen deben ser diluidos 44,2 ml de ácido sulfúrico al 70% m/m y densidad 1,61 g/ml para obtener una solución 0,4 M? 2.- Calcular la densidad de una solución de sulfato de zinc que tiene una concentración 2,59 M y 3,50 m. 3.-Utilizar el gráfico para determinar: a) Cuál es la sal más soluble a 40ºC Química FI UNPSJB 2015 Página 50

7 b) La cantidad de cloruro de sodio que habrá que mezclar con 50 g de agua para obtener una solución saturada a 30ºC. c) Una solución saturada de nitrato de bario a 80ºC se enfría hasta los 20ºC. Qué cantidad de sal precipitará? d) Tenemos una solución saturada de arseniato ácido de sodio a 30ºC y la calentamos hasta los 70ºC. Qué cantidad de sal habrá que agregar a la solución para saturarla de nuevo? 4.- Se prepara una solución disolviendo 300 g de ácido fosfórico en agua suficiente para formar un litro de solución cuya densidad resulta ser de 1,15 g/ml. Determine: a) Porcentaje masa/masa b) Porcentaje masa/volumen c) Molaridad d) Fracción molar del soluto 5.- El ácido ascórbico (C 6 H 8 O 6, vitamina C) es soluble en agua. Una solución que contiene 80,5 g de dicho ácido disuelto en 210 g de agua tiene una densidad de 1,22 g/ml, calcular: a) el porcentaje m/m b) la molaridad de la solución 6.- La lavandina puede considerarse como una solución de hipoclorito de sodio. Se midieron 40 ml de una muestra de lavandina y se diluyeron con agua hasta un volumen final de 100 ml. Se determinó que la solución diluida poseía una concentración de hipoclorito de sodio igual a 2% m/v. Calcular la concentración molar de hipoclorito de sodio en la muestra original y concluir si ésta ha sido adulterada, considerando que el valor debería ser 0,9 M como mínimo. 7.- La solubilidad del nitrato de potasio en agua varia con la temperatura, según se indica en la tabla: Temp ( C) S (g/100 ml) Donde S representa los gramos de nitrato de potasio que se disuelven en 100 ml de agua a) Realizar un gráfico que represente la variación de la solubilidad con la temperatura. b) Utilizando el gráfico, calcular la solubilidad del nitrato de potasio a 35 C. c) A 50 C, una solución de nitrato de potasio al 30% m/v, es saturada? Justifique su respuesta d) Qué cantidad de precipitado se formará a 50 C en una solución preparada con 200 g de nitrato de potasio en 200 ml de agua? Química FI UNPSJB 2015 Página 51