Gases y Disoluciones

Transcripción

1 Gases y Dsolucones CR. JORGE JUAN Xuva-Narón En la naturaleza exsten sustancas muy mportantes que se encuentran en estado gaseoso en condcones habtuales, como el are, el gas natural, el dóxdo de carbono,... Resulta dfícl medr drectamente la cantdad de gas exstente en un recpente, por lo que esto se determna de forma ndrecta mdendo el volumen del recpente, la temperatura a la que se encuentra el gas y la presón que dcho gas ejerce. arables Undad olumen m 3, cm 3, l, ml exstendo la relacón, 1 m 3 = 1000 l, 1 ml= 1 cm 3 emperatura ºK, ºC exstendo la relacón, (ºK)= 73 + t (ºC) resón.. a, mmhg, atm exstendo la relacón, 1 atm= a= 760 mmhg ermodnámcamente un gas deal es un gas real consderado en el límte de las bajas presones, de las bajas densdades ó de las bajas temperaturas. Exsten una sere de leyes deales que surgen de la extrapolacón de los resultados expermentales y que caracterzan el comportamento de estos gases deales, de modo que todo gas que las cumpla puede consderarse como un gas deal. Mcroscópcamente el consderar los gases en el límte de las bajas presones ó de las bajas densdades equvale a desprecar el tamaño de las moléculas del gas en relacón con el volumen que éste ocupa, y por ello consderarlas puntuales. Al ser grandes las dstancas medas entre las moléculas las nteraccones moleculares se reducen a colsones elástcas fortutas. A lo largo del sglo XIII una sere de centífcos estudaron el comportamento de los gases con la ntencón de conocer como afectaba al valor de las varables anterores las modfcacones que se hcesen en el estado del gas. Sus estudos se hceron de modo que se mantuvese constante una de dchas varables mdendo los cambos que expermentaba una de las varables restantes cuando se modfcaba el valor de la otra. Como resultado de esto se estableceron la ley de los gases: rocesos sotermos, = cte. Ley de Boyle- Marotte, 166 S se consdera una cantdad dada de gas y se aumenta su presón,, mantenendo constante su temperatura,, entonces su volumen,, dsmnuye. S por el contraro se dsmnuye su presón,, mantenendo constante su temperatura,, su volumen,, aumenta. La relacón entre la presón del gas,, y su volumen,, se puede obtener a partr de la ecuacón de los gases perfectos: = cte Robert Boyle Inglaterra ( ) Edme Marotte Franca ( ) 1, 1, Meddas cudadosas de la presón,, y del volumen de un gas,, encerrado en un recpente cuya capacdad puede vararse medante un émbolo móvl que realza su movmento con lenttud sufcente para que la temperatura no varíe, proceso sotérmco, = cte, permten asegurar que las magntudes,, y, son nversamente proporconales, es decr, el producto de la presón,, ejercda por un gas por el volumen,, ocupado es constante..= cte La ley de boyle-marotte en forma dferencal se escrbe d()= 0=.d+.d gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 1

2 rocesos socoros, = cte. Ley de Gay Lussac, 1805 = cte A comenzos del sglo XIX el químco francés Joseph Lous Gay-Lussac, , estudó las varacones que expermenta la presón de un gas cuando se modfcaba su temperatura mantenendo constante el su volumen, pues estaba encerrado en un recpente de paredes rígdas. 1, 1, A la temperatura del helo fundente, 0 ºC, se lee la presón, 0, que ejerce el gas. A una temperatura, Lous J. Gay-Lussac Franca t ºC, la presón que ejerce el gas es, t. ( ) Determnó la relacón de dependenca entre el volumen y la temperatura t = 0.(1+t) coefcente de compresbldad a volumen constante del gas ó coefcente pezotérmco. En condcones de baja densdad este valor 1 es,, e gual para todos los gases 73 operando con la expresón anteror 1 t 73 t 0 (1 t) 0 1 t t 0 0 t 0 0 cte De sus experencas concluyó que a volumen constante la presón que ejerce un gas y su temperatura son magntudes drectamente proporconales. El cocente entre la presón que ejerce el gas en cada nstante y la temperatura absoluta que posee en cada nstante es constante S se representan los resultados de sus experencas y se prolongan las líneas resultantes, se observa que en todos los casos el gas ejercerá una presón nula a la temperatura de, ºC, temperatura a la que las partículas que consttuyen el gas no se mueven y por lo tanto la presón que ejerce el gas es nula. 3 1 Este resultado lleva a establecer una nueva escala de temperaturas denomnada escala Kelvn ó absoluta que tene como orgen la temperatura de, ºC, y como ntervalo el msmo que el, ºC. (K)= t (ºC) S se representan los resultados de las experencas de Gay-Lussac expresando las temperaturas en grado, K, las gráfcas resultantes son las anterores trasladadas de forma que las líneas se corten en el orgen de coordenadas. La ecuacón de cada una de ella vene dada por la expresón y= mx + b gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva

3 b= 0 ordenada en orgen. Su valor es nulo por pasar por el orgen de coordenadas m= y pendente de la línea x Cuando un gas expermenta transformacones a volumen constante, el cocente entre la presón que ejerce en cada nstante y la temperatura absoluta que posee en cada nstante es constante = cte 1 1 rocesos sobaros, = cte. Ley de Charles, 1787 En la msma época que Gay-Lusac estudaba el comportamento de los gases a volumen constante, el centífco francés Jacques Alexandre Charles, , estudaba las varacones que expermentaba el volumen que ocupaba un gas cuando cambaba su temperatura mantenendo constante la presón que ejercía sobre las paredes del recpente que lo contenía. Realzó sus expermentos utlzando globos aerostátcos, sendo la prmera persona realzó un vaje en globo y aprendó que era necesaro varar la temperatura del gas del nteror del globo para controlar el ascenso y descenso del globo. = cte A la temperatura del helo fundente, 0 ºC, se lee el volumen, 0, que ocupa el gas. A una temperatura, t ºC, el volumen que ocupa el gas es, t. Determnó la relacón de dependenca entre el volumen y la temperatura t = 0.(1+t) Jacques Charles Franca ( ) 1, 1, coefcente de dlatacón del gas. En condcones de baja densdad 1 este valor es,, e gual para todos los gases 73 operando con la expresón anteror 1 t 73 t 0(1 t) 0 1 t t 0 0 t 0 0 cte De sus experencas concluyó que a presón constante el volumen que ocupa un gas y su temperatura son magntudes drectamente proporconales. El cocente entre el volumen que ocupa el gas en cada nstante y la temperatura absoluta que posee en cada nstante es constante = cte gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 3

4 S se representan los resultados de sus experencas y se prolongan las líneas resultantes, se observa que en todos los casos el gas ocupa un volumen nulo a la temperatura de, ºC, temperatura a la que las partículas que consttuyen el gas no se mueven y por lo tanto la presón que ejerce el gas es nula. 3 1 S se representan los resultados de las experencas de Charles expresando las temperaturas en grado, K, las gráfcas resultantes son líneas que pasan por el orgen de coordenadas, y cuya ecuacón vene dada por la expresón y= mx + b b= 0 ordenada en orgen. Su valor es nulo por pasar por el orgen de coordenadas m= y pendente de la línea x Cuando un gas expermenta transformacones a presón constante, el cocente entre el volumen que ocupa el gas en cada nstante y la temperatura absoluta que posee en cada nstante es constante = cte 1 1 A la temperatura de, -73 ºC, el volumen que ocupa un gas y la presón que ejerce son nulos 1 t 0 1 ( 73) 0 (1 1) t 0 1 ( 73) 0 (1 1) este punto defne al cero absoluto, el cual se toma como orgen de la escala de temperaturas absolutas o Kelvn K= t ºC + 73 el cero absoluto consttuye un límte natural nferor de temperaturas. Múltples experencas establecen como prncpo termodnámco el carácter naccesble del de esta temperatura. Habtualmente cuando un gas expermenta una transformacón camban de valor las tres varables descrtas que lo caracterzan,,, y,. Combnando las tres leyes anterores se puede encontrar una relacón entre las tres varables y el estado en que se encuentra el gas. S el gas se encuentra en el estado, 1, caracterzado por el valor de las varables, 1, 1, y, 1, y expermenta una transformacón hasta el estado,, caracterzado por el valor de las varables,,, y,, esta transformacón se puede explcar hacendo pasar el gas por el estado ntermedo, A, caracterzado por gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 4

5 el valor de las varables, A, A, y, A, de modo que la transformacón fnal venga descrta por estas transformacones parcales: 1 A, transformacón a temperatura constante, = cte A = 1. Se verfca la ley de Boyle-Marotte 1. 1 = A. A A = A A, transformacón a presón constante, = cte A =. Se verfca la ley de Charles-Gay Lussac A A 1 A A =. 1 Igualando ambos resultados obtendos para, A, se tene reordenando los factores resulta la ecuacón general de los gases deales Se denomnan gases deales a los que verfcan las leyes anterores, sendo ejemplo de este tpo de gases el hdrógeno, el oxígeno, el ntrógeno, el dóxdo de carbono. No son gases deales aquellas sustancas gaseosas a temperaturas próxmas a su punto de ebullcón, ejemplo el agua a, 105 ºC. Avogadro, después de cudadosas experencas emtó la hpótess que lleva su nombre olúmenes guales de gases dferentes en guales condcones de presón y temperatura contenen el msmo número de moléculas S dos gases tenen el msmo número de moléculas ocupan el msmo volumen en condcones guales de presón,, y temperatura,. Así en condcones normales, = 1 atm, = 73,15 K= 0 ºC, un mol de sustanca gaseosa ocupa un volumen de, 4 l, que es el msmo para cualquera gas. El valor,, es una constante unversal que se denota, R, de forma que para los gases deales se escrbe cte R 1 R= atm. l mol.º K = 8 3 J mol.º K constante de los gases perfectos s el recpente contene, n, moles se escrbe. n. R gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 5

6 = nr ecuacón de estado de los gases deales A partr de esta ecuacón se puede obtener: Masa molecular, M, de un gas m.= nr=. R. M M d m m. R. d. R.. densdad del gas masa del gas de esta expresón se obtene la densdad de un gas conocda su masa molecular, M d M. R. Ley de Dalton En muchas ocasones se trabaja con una mezcla de gases, ejemplo el are, en la que es necesaro conocer las característcas de la mezcla o de alguno de los gases que la componen. S en un recpente de volumen,, que se encuentra a una temperatura,, se tene una mezcla de gases, por ejemplo tres, que se encuentran en las cantdades de, n 1, n, y, n 3 moles, la presón que la mezcla de gases ejerce sobre la paredes del recpente es,, verfcándose.= n.r.= (n 1 +n +n 3 ).R.= n 1.R.+n.R.+n 3.R.= = ( ). de donde = En una mezcla de gases entre los que no exste actvdad químca alguna, gases nertes, la presón total que éstos ejercen es gual a la suma de las presones parcales que cada gas ejercería s estuvera él solo ocupando el volumen total de la mezcla. Este resultado se puede deducr de la ecuacón de estado de los gases deales n. R. 1. R.. n n= n n, número de moles del componente,, de la mezcla gaseosa presón parcal del componente gaseoso, se deduce de la anteror que se defne el concepto de fraccón molar, x, como x = n n en funcón del cual se escrbe para la ley de Dalton gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 6

7 x n n 1 n n 1 1. R. n. R.. n x. x de donde = x. La presón total de una mezcla de gases es gual a la suma de las presones parcales que cada gas ejercería s se encontrase el solo en el msmo recpente y a la msma temperatura. Ley que se conoce como Ley de Dalton ó de las presones parcales. = n 1.= n 1.R..= n.r. dvdendo ambas expresones n n fraccón molar del componente,. Representa la proporcón del número de partículas del gas,, en la mezcla. Su valor está comprenddo entre, 0, y, 1. se tene =. Muchas mezclas de gases defnen su composcón en porcentaje en volumen de cada uno de los gases que la forman. En este caso se escrbe. = n.r.. = n.r. dvdendo ambas expresones n n la proporcón en volumen concde con la proporcón en número de partículas. Se observa que el porcentaje en volumen de un componente gaseoso no es más que la proporcón en masa multplcada por, 100. S se aumenta la presón de un gas y/ó se baja su temperatura se puede consegur que el gas se lcue, tal y como se encuentra el butano en las bombonas. Otros gases que se manejan de forma smlar son el helo, el ntrógeno, ó, el argón que se utlzan para crear atmósferas nertes en la que no se propaga la combustón el hdrógeno, ó el oxígeno que se utlza en medcna para facltar la respracón o en condcones dfícles como las de los bomberos, submarnstas ó alpnstas. Cuando los gases lcuados expermentan una expansón rápda se volatlzan, para lo cual absorben la energía del medo que les rodea hacendo que baja la temperatura. Una aplcacón de este prncpo se da en los frgorífcos, pero por este motvo tambén deben de manejarse con cudado para evtar quemaduras por congelacón. gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 7

8 Un escape de gas lcuado puede hacer que se condense el vapor de agua del entorno orgnando una nube densa y muy fría. uede tambén desplazar el are y provocar problemas de asfxa. Los gases lcuados tenen una densdad superor a la del are, por lo que en caso de escape se acumulan en las partes más bajas del lugar. ambén es posble obtener la densdad de la mezcla conocda la densdad de cada uno de los gases que la forman d M. R. la masa de la mezcla gaseosa correspondente al gas,, se obtene a partr de su densdad d m M. M.. m R. R. la masa total del gas encerrado en el recpente es mt m M. R. la densdad del gas encerrado, mezcla de -gases es d t M. M. m t R. M. R. R. d ara poder explcar y entender el comportamento de la matera, exste un modelo teórco que se basa en los sguentes postulados: La matera está formada por pequeñas partículas. Entre las partículas que forman la matera no exste nada. Hay vacío. Exsten unas fuerzas atractvas que tenden a juntar las partículas. Las partículas que forma un sstema materal no están quetas, se mueven. La energía cnétca que poseen es proporconal a la temperatura. Esto es, s la temperatura es baja, su movmento será lento. S la temperatura ascende, se mueven más rápdamente. La presón que ejerce un gas contra las paredes del recpente que lo contene es debda a los contnuos choques de las partículas que lo forman contra dchas paredes. con este modelo podríamos responder a las sguentes cuestones: Cuál es la dferenca entre un sóldo, un líqudo o un gas? En un sóldo las fuerzas entre las partículas que lo forman son muy grandes, por eso están muy juntas formando estructuras ordenadas. Aun en los sóldos las partículas no están quetas, sno que tenen un movmento de vbracón. En un gas las fuerzas de atraccón entre las partículas, aunque exsten, son muy débles. or tanto se mueven en todas dreccones, chocando contnuamente unas con otras y contra las paredes del recpente que las contene. Exste una gran separacón entre las partículas, hay grandes espacos vacíos. En un líqudo ocurre una stuacón ntermeda. Las fuerzas entre partículas no son tan grandes como en los sóldos, n tan débles como en los gases. Las partículas están más separadas que en los sóldos, pero menos que en los gases. gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 8

9 Qué ocurre cuando se calenta una sustanca? Cuando se calenta un cuerpo se le está dando energía. Esta energía es transferda a las partículas que forman la matera, lo que motva que se muevan con mayor velocdad. S por el contraro se enfría, se le quta energía a dchas partículas, por lo que se moverán más lentamente. or qué las sustancas camban de estado? El que una sustanca esté en un estado u otro, depende del equlbro entre las fuerzas que tenden a juntar sus partículas y su tendenca a separarse, que será tanto mayor, cuanto mayor sea su energía. S se baja la temperatura, las partículas se moverán más lentamente y las fuerzas atractvas serán capaces de mantenerlas más juntas, el gas se transforma en líqudo, y s se sgue enfrando, en sóldo. S se tene un sóldo y se calenta, el movmento de vbracón de sus partículas rá aumentando hasta que la energía sea sufcente para superar las fuerzas que las mantenen en sus poscones. El sóldo se funde y se transforma en un líqudo. S se sgue calentando, pasará a gas or qué, generalmente, los sóldos tenen densdades elevadas, mentras que los gases tenen una densdad baja y los líqudos presentan valores ntermedos? En los sóldos la matera o partículas que lo forman tende a estar muy junta. La masa por undad de volumen será grande. En los gases, al ser muy grande la separacón entre las partículas, hace que se tengan densdades pequeñas, es decr, poca masa por undad de volumen. En los líqudos la stuacón será ntermeda. or qué los gases ejercen presón sobre las paredes de los recpentes? or qué la presón aumenta s se mete más gas o se eleva su temperatura? Dado que la presón de un gas se debe a los contnuos choques de las partículas que lo forman contra las paredes del recpente que lo contene, se entende que s se mete más gas en el recpente, la presón aumenta, pues hay más choques, y s se saca gas, la presón dsmnuye pues habrá menos choques. S se eleva la temperatura las partículas se moverán más rápdamente, lo que provocará un aumento de los choques. S se enfría, se moverán más lentamente, lo que provocará menos choques. Según la eoría Cnétca los gases pueden ser descrtos como: equeñas moléculas con un movmento caótco que se mueven a gran velocdad y en todas dreccones, chocando contnuamente unas con otras y contra las paredes del recpente. Su presón es debda a los choques de las moléculas del gas con las paredes del recpente. La energía cnétca de las moléculas es proporconal a la temperatura absoluta, E c = k. Las fuerzas ntermoleculares son muy débles. Las partículas que consttuyen los gases son muy pequeñas y están muy separada unas de las otras. El volumen que ocupan se consdera desprecable. Éste permte suponer que cada partícula se mueve por todo el volumen del recpente que contene al gas. Un gas que cumpla estos postulados de la teoría cnétca se dce que es un gas deal. ara obtener un modelo matemátco que permta descrbr el comportamento de un gas, deal, no real, se realzan certas smplfcacones al modelo expuesto anterormente: Las moléculas de los gases se consderan puntos matemátcos que tenen volumen nulo. gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 9

10 No exsten fuerzas entre las moléculas. Estas smplfcacones permten un tratamento dnámco-cnemátco de los gases, consderándolos como un conjunto muy grande de pequeñas partículas en movmento, y la obtencón de una ecuacón que descrbe su comportamento: S en el recpente que contene al gas tan solo hay, 1 mol, de gas, se escrbe cte R 1 S el recpente contene, n moles, de gas entonces y se consdera un estado cualquera del msmo caracterzado por el valor de la varables,,, y,, se tene. n. R Expresón que generalmente se escrbe.= n.r. R= atm. l mol.º K = 8 3 J mol.º K constante de los gases perfectos volumen meddo en ltros presón medda en atmósferas temperatura en grados Kelvn n número de moles de gas Cuando se trabaja a una presón, = 1 atm, y a una temperatura, = 73 K= 0 ºC, se dce que se trabaja en condcones normales, condcones en las que, 1 mol, de cualquer gas ocupa un volumen de, 4 l, denomnado volumen molar del gas. La ecuacón de estado para los gases perfectos no es aplcable estrctamente a los gases reales, ya que las hpótess de partda no se cumplen, pero concuerda bastante ben con los datos obtendos con gases no deales, sobre todo s están a temperaturas no muy bajas y a presones no demasado elevadas. La ecuacón para los gases perfectos se puede escrbr de otras formas equvalentes..= n.r. S se tenen, a, gramos de un gas cuya masa molecular es, M g/mol, se pueden calcular los moles de gas a partr de: a n M Se puede escrbr entonces: a R M a gramos de gas M masa molecular del gas artendo de la ecuacón anteror: a M R d R M d R d densdad del gas en, g/l gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 10

11 artendo de la ecuacón de los gases perfectos se puede deducr una sere de leyes que eran conocdas con anterordad a la obtencón de esta ecuacón: rocesos sotermos, = cte. Ley de Boyle- Marotte, n R n R rocesos sobaros, = cte. Ley de Charles 1; ; Cte n R 1 1 n R 1 nr 1 nr 1 1 ; ; 1 1 rocesos socoros, = cte. Ley de Gay-Lussac n R 1 1 n R 1 nr ; ; 1 1 nr La ecuacón de los gases perfectos srve tambén para confrmar una hpótess, emtda por Avogadro, en, 1811, que jugó un decsvo papel en el desenvolvmento de la químca en el cálculo correcto de los pesos atómcos de los elementos. S se consderan volúmenes guales de dos gases dferentes, meddos a gual presón,, y temperatura,, se llega a la conclusón que ambos deben contener gual número de moles o moléculas. n1 R n R dvdendo ambas Amedeo Avogadro Itala ( ) 1=... n R n. n. R. n 1 1 de donde n 1 = n De ella se deduce que, 1 mol, de cualquer sustanca gaseosa, a una presón,, y temperatura,, dadas, ocupa déntco volumen. S se fja la presón, = 1 atm, y la temperatura, = 73 K, en estos valores denomnados condcones normales, se deduce que, 1 mol, de cualquer sustanca gaseosa ocupa: 1 mol nr n R ; atm.l 0'08 K.mol 1 atm 73 K '4 L gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 11

12 Cuál será el volumen ocupado por, 0 50 moles, de un gas meddo a, 0 ºC, y, 760 mm, de presón? n R atm.l 0'50 mol 0'08 n R K mol 93 K 1 atm 1'01L Se recogen, 1 5 moles, de, CO, en un recpente de, 0 l, y a una temperatura de, 5 ºC. Cuál será la presón ejercda por el gas? n R atm. L 1'5 mol 0'08 98 K n R K mol 0 L 1'53 atm Hallar la masa molecular de una sustanca gaseosa sabendo que, 3 8 g, de la msma recogdos en un recpente de, 0 ltros, a una temperatura de, 15 ºC, ejercen una presón de, 770 mm. atm.l 3'8 g 0 '08 88 K a a R K.mol R ; M M 1'013 atm,0 L g 44'3 mol Determnar la densdad del metano, CH 4, medda a, 1 5 atm, de presón y, 80 ºC, de temperatura. g 1'5 atm 16 '0 M mol g M d R ; d 0'83 R atm.l L 0 '08 K.mol 353 K En una reaccón químca se ha obtendo, CO, que, una vez seco, se almacena en un matraz de, 1 5 l, a una temperatura de, 18 ºC, sendo su presón, 800 mm. Qué cantdad de gas en gramos se ha obtendo en la reaccón? g 44'0 1'05 atm 1'5 L a M mol R ; a M R atm.l 0'08 K.mol 91 K '91g De la descomposcón térmca del clorato potásco se obtenen, moles, de oxígeno que se recogen en un recpente de, ltros, a, 0 ºC. Cuál será la presón en el recpente?. Cuál será la presón ejercda s la temperatura se eleva hasta, 50 ºC?. atm.l 0'130 mol 0'08 93 K nr K.mol n R ; L 1'56 atm roceso a, = cte K ; 1 ; 93 K 1 1'56 atm 1'7 atm gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 1

13 Certa cantdad de gas se recoge en un matraz de, 1 5 l, a una temperatura de, 0 ºC, y se determna su presón encontrándose que es, 850 mm. S se trasvasa el gas a un matraz de, 1 0 l. A qué temperatura se debe mantener el recpente para que su presón sea como máxmo de, 1 60 atm?. Determnar la cantdad de gas que hay en moles. Cuál será la presón s por descudo la temperatura se eleva hasta, 15 ºC?. Se produce una varacón smultánea de las varables,,, y,, que defnen el estado del gas, mantenéndose nvarable la cantdad de gas. n R n R 1'60 atm 1,0 L 1 93 K 1'1 atm 1,5 L 0 79 K 6 C Se usan las condcones ncales para calcular la cantdad de gas '1 atm 1,5 L 1 1 n R 1; n R 1 atm.l 0'08 93 K K.mol 0'07 moles Aunque se puede hallar la presón del gas en estas condcones usando los moles calculados en el apartado anteror, se va a resolver usando los datos del enuncado: K 1'5 L ; 1 1'1 atm 93 K 1'0 L 1'65 atm 154 mm 1 S se usara el resultado de la segunda pregunta se tendría: atm.l 0'07 moles 0'08 n R K.mol n R ; 1'0 L 88 K 1' 65 atm 154 mm gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 13

14 Una dsolucón es una mezcla homogénea de dos ó más sustancas, sn que puedan dstngurse una de otra a smple vsta. or ser homogénea, cualquer porcón que se tome tene la msma composcón y propedades. En las dsolucones hay que dstngur: Soluto Es la sustanca ó sustancas que se dsuelven. Dsolvente Es la sustanca en la que se dsuelve el soluto. Dsolucón Es el conjunto formado por el soluto y el dsolvente. En aquellos casos en los que pueda exstr duda sobre quén es el soluto y quén el dsolvente se consdera dsolvente al componente que está en mayor proporcón ó que mantene su estado de agregacón y soluto al que se encuentra en menor proporcón. Hay muchos tpos de dsolucones, entre las más mportantes están: Dsolucones sóldo líqudo El soluto es el sóldo y el dsolvente el líqudo. azúcar y agua La dsolucón de un sóldo es un proceso bastante complejo que mplca la rotura de los enlaces exstentes entre los ones del sóldo que abandonan el crstal y se rodean de moléculas del dsolvente ó solvatacón. Molécula de agua o dsolvente ones solvatados La solvatacón de los ones es un proceso exotérmco, gracas al cual la dsolucón del sóldo es un proceso espontáneo. Dsolucones líqudo-líqudo El soluto es el líqudo que esté menor proporcón ó que su volumen sea nferor. alcohol y agua. S se prepara una dsolucón mezclando, 50 cm 3, de alcohol y, 500 cm 3, de agua, el soluto será el alcohol y el dsolvente el agua. Dsolucones líqudo-gas El soluto es el gas, el dsolvente el líqudo. oxígeno y agua. Dsolucones gas-gas El soluto es el gasa que esté en menor proporcón. el are. Se consdera soluto el oxígeno pues su proporcón es del, 1%, y dsolvente el ntrógeno cuya proporcón es, 79%, Se consdera que el are está formado sólo por oxígeno y ntrógeno. S se va añadendo soluto, azúcar, poco a poco en el dsolvente, se observa que al prncpo se dsuelve sn dfcultad, pero s se sgue añadendo llega un momento en que el dsolvente no es capaz de dsolver más soluto y éste permanece en estado sóldo, posando en el fondo del recpente. La cantdad máxma de soluto que se puede dsolver recbe el nombre de solubldad y depende de varos factores: Naturaleza del soluto y del dsolvente Hay sustancas que se dsuelven mejor en unos dsolventes que en otros. gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 14

15 emperatura Dependendo de la naturaleza del soluto y del dsolvente se verfca: Sóluto sóldo y dsolvente líqudo Normalmente la solubldad aumenta con la temperatura. Sóluto gaseoso y dsolvente líqudo Normalmente la solubldad dsmnuye a medda que aumenta la temperatura. S la temperatura de un río, lago aumenta la cantdad de oxígeno dsuelto en el agua dsmnuye lo que puede provocar la muerte por asfxa de los seres vvos, peces, plantas. resón Este es un factor mportante cuando el soluto es un gas y el dsolvente es un líqudo. La solubldad de los gases en un líqudo aumenta con la presón Esta es la razón por la que los recpentes de las bebdas con gas tenen una presón mayor que la atmosférca. La falta de oxígeno puede producr la muerte en las personas, para corregr este escasez de oxígenos en los tejdos corporales, hpoxa, se ntroduce a las personas en una cámara hperbárca, la cual contene oxígeno a una presón superor a la atmosférca, de esta forma aumenta la solubldad del oxígeno en la sangre y se corrge su defcenca en las células. En las zonas de alta montaña la presón es nferor a la atmosférca por lo que la solubldad del oxígeno en la sangre dsmnuye, por lo que en ocasones, los alpnstas necestan utlzar bombonas que sumnstren oxígeno a una presón más elevada. En, 1803, el químco nglés Wllam Henry, , establecó la ley que relacona la cantdad de gas que se puede dsolver en un líqudo con la presón el gas que está en contacto con él. c= k.p c solubldad que puede alcanzar un gas p presón que ejerce el gas que se va a dsolver y que está en contacto con el líqudo k constante cuyo valor depende de la naturaleza del gas, y de la temperatura a la que se encuentra La cantdad máxma de gas que se puede dsolver en un líqudo depende de la presón que ejerce el gas que está en contacto con el líqudo. Se alcanza así un equlbro entre las moléculas de gas que están dsueltas en el líqudo y las que todavía no lo están, es decr, entre las moléculas de gas que pasan de la fase gaseosa al líqudo y entre las que pasan del líqudo a la fase gaseosa. S se aumenta la presón este equlbro se rompe y aumenta el número de moléculas de gas que pasan de la fase gaseosa al líqudo, dsmnuyendo por tanto el número de moléculas de gas que se encuentran en fase gaseosa. Como las dsolucones se pueden preparar mezclando cantdades varables de soluto y dsolvente, se hace necesaro dar un valor numérco que ndque de una manera la cantdad de soluto y de dsolvente exstente en la dsolucón y que se conoce como concentracón de la dsolucón. gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 15

16 Las formas usadas para expresar la concentracón de una dsolucón: Gramos/ltro, g/l Expresa la relacón exstente entre los gramos de soluto dsueltos y los ltros de dsolucón obtendos. g/l= gramos ltros soluto dsolucón en la expresón ltro de dsolucón se entende el conjunto de dsolvente y soluto, y no de dsolvente. Ésta es la forma más usual de expresar la solubldad de sóldos en líqudos. Molardad, M Expresa la relacón exstente entre los moles de soluto dsueltos y los ltros de dsolucón obtendos. M= moles de soluto Ltros dsolucón La molardad es la forma más común de expresar la concentracón de una dsolucón. Molaldad Expresa la relacón exstente entre los moles de soluto dsueltos en los klogramos de dsolvente utlzados para realzar la dsolucón m= moles k logramos soluto dsolvente Es una concentracón especalmente útl cuando se estudan las propedades colgatvas de las dsolucones. anto por cento en peso, % Expresa la relacón en porcentaje exstente entre los gramos de soluto dsueltos y los gramos de la dsolucón obtenda. gramossoluto %=.100 gramos dsolucón En la expresón gramos de dsolucón se entende el conjunto de dsolvente y soluto, y no de dsolvente. Normalmente esta forma de expresar la concentracón vene complementada con el dato de la densdad de la dsolucón que permte transformar gramos de dsolucón en, cm 3. Fraccón molar Expresa la relacón entre el número de moles del soluto y el número total de moles exstentes en la dsolucón. x s = molessoluto ns moles n n dsolucón s d n s número de moles de soluto n d número de moles del dsolvente La fraccón molar del dsolvente vene dada por gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 16

17 x d = molesdsolvente nd moles n n dsolucón s d se verfca ns nd ns nd x s + x d = 1 n n n n n n s d s d s d anto por cento en volumen Expresa la relacón entre los volúmenes del soluto y de la dsolucón. volumendsolvente % volumen soluto =.100 volumen dsolucón S los componentes que forman la dsolucón son todos gaseosos, la fraccón molar de cada uno de ellos concde con su tanto por cento en volumen. Normaldad Expresa el número de equvalentes-gramo que hay de soluto en un ltro de dsolucón. N= equvalentes gramo ltro dsolucón El equvalente-gramo de una sustanca es la masa de la msma que reaccona con, g, de hdrógeno ó con, 1/16 del átomo gramo, de oxígeno. Según el tpo de sustanca que sea el equvalente gramo de la msma se obtene según: gases y dsolucones Departamento Físca y Químca CR Jorge Juan Xuva 17