GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA Nº7

Transcripción

1 Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan QUÍMICA GUÍA DE TRABAJOS PRÁCTICOS DE AULA Nº7 SOLUCIONES BIOINGENIRÍA Año 2017

2 Las soluciones son sistemas homogéneos formados por dos o más componentes, llamadas sustancias puras. Concentración: proporción de una sustancia en una mezcla. Comúnmente se expresa como la proporción de soluto en una cantidad de solución, aunque a veces es la proporción de soluto en solvente. Soluto: componente de una solución que se encuentra en menor proporción Solvente: componente de la solución que disuelve al soluto, se encuentra en mayor proporción. Solución: es la suma de soluto + solvente. En química se emplean varios términos de concentración, tales como molaridad, molalidad, normalidad, etc. Molaridad Número de moles de soluto disuelto en un litro de solución. Se expresa con la letra M. M = moles de soluto litro de soluci ón Normalmente decimos que una solución 1 M es aquella que contiene 1 mol de soluto en un litro de solución ml solución 1 M contienen 1 PM (1 mol) Así por ejemplo: una solución 1 M de NaCl contiene en un litro de solución 1 mol de la sal, o bien, su peso molecular. Podemos expresarlo de la siguiente manera: 1000 ml solución 1 M 1 mol (58,5 g de NaCl) Ejemplo: Calcular los gramos de ácido nítrico necesarios para preparar 200 ml de una solución 0,4 M ml 1 M 63 g HNO 3 (por definición) 200 ml 0,4 M x g HNO 3 = (nuestro problema) Soluciones 1

3 Queda así planteado un problema de regla de tres compuesta. A los fines prácticos convertiremos este planteo en dos problemas de regla de tres simple. Para ello, lo primero que hacemos es dejar constante uno de los valores de nuestro problema (1000 ml o 1 M); en nuestro caso dejaremos constante 1000 ml: 1000 ml 1 M 63 g HNO ml 0,4 M x g HNO 3 = 0,4. 63 / 1 = 25,2 g HNO 3 Estos datos constantes no intervienen en el cálculo Queda así planteado un problema de Regla de tres simple Sabemos ahora que para preparar 1000 ml de solución 0,4 M de ácido nítrico, se necesitan 25,2 g de éste. Escribimos entonces este dato junto con el planteo completo de nuestro problema: 1000 ml 0,4 M 25,2 g HNO ml 0,4 M x g HNO 3 = Queda ahora constante el dato de molaridad y nuevamente se plantea una regla de tres simple: 1000 ml 0,4 M 25,2 g HNO ml 0,4 M x g HNO 3 = ,2 / 1000 = 5,04 g HNO 3 Vale decir, para preparar 200 ml de una solución 0,4 M de HNO 3 se necesitan 5,04 g de éste. molalidad número de moles de soluto disuelto en 1000 g de solvente. Se expresa con la letra m. m = moles de soluto 1000 g de solvente Soluciones 2

4 Las soluciones molales se preparan midiendo masas de soluto y solvente. No utiliza volúmenes. Si queremos calcular la molalidad de una solución de 32 g de cloruro de calcio disueltos en 271 g de agua podemos operar de la siguiente manera: Por definición decimos que: 1000 g de solvente 1 m 111 g de CaCl 2 (1 mol) Entonces planteamos el problema: 1000 g de solvente 1 m 111 g de CaCl 2 (por definición) 271 g de solvente x m 32 g de CaCl 2 (por averiguar) Nos queda así planteado un problema de regla de tres compuesta. resolvemos: Reordenamos y 1000 g de solvente 111 g de CaCl 2 1 m 271 g de solvente 32 g de CaCl 2 x m Para razonar el problema vamos a realizar dos reglas de tres simples. Para ello debemos dejar constante un dato: (1)* 1000 g de solvente 111 g de CaCl 2 1 m 1000 g de solvente 32 g de CaCl 2 x m = Si por ejemplo dejamos constantes los gramos de solvente nos queda una ecuación simple y razonamos de la siguiente manera: si teniendo el mismo volumen (1000 g) en dos soluciones distintas, una con 111 g de soluto y otra con 32 g de soluto, ésta última deberá presentar menor molalidad. 111 g de CaCl 2 1 m 32 g de CaCl 2 x m = 32 g. 1 m / 111 g = 0,28 m Soluciones 3

5 Tomemos ahora la ecuación (1)* con el valor obtenido anteriormente y agreguemos los datos de nuestro problema, en este caso nos quedarán constantes los g de soluto: 1000 g de solvente 111 g de CaCl 2 1 m 1000 g de solvente 32 g de CaCl 2 0,28 m 271 g de solvente 32 g de CaCl 2 x m = Y la regla de tres simple a resolver es la siguiente: 1000 g de solvente 0,28 m 271 g de solvente x m = ,28 / 1000 = 0,075 m Aquí observamos que al realizar los cálculos obtenemos un valor inferior a 0,28 m. Si razonamos veremos que tenemos la misma cantidad de soluto (32 g) pero en dos cantidades de solventes distintos: 1000 g y 271 g. Ahora bien, si disolvemos 32 g de soluto en 1000 g de solvente y tenemos una molalidad de 0,28 m, cuando agreguemos la misma cantidad de soluto (32 g) a 271 g de solvente, la solución estará más concentrada. Entonces no puede presentar una molalidad igual a 0,075. En este caso, la regla de tres es inversa y operamos de la siguiente manera: 1000 g de solvente 0,28 m 271 g de solvente x m = ,28 / 271 = 1,03 m Normalidad Peso equivalente o equivalente gramo del soluto disuelto en un litro de solución. Se expresa con N. Una solución 1 N es aquella que contiene 1 peso equivalente g de soluto en un litro de solución. Decimos entonces que 1 litro de una solución 1 N contiene disuelto 1 peso equivalente del soluto: 1000 ml solución 1 N 1 PEq Soluciones 4

6 Determinación de pesos equivalentes: Elementos químicos Peq = Peq Al = 27 3 peso atómico = 9 valencia Ácidos y Bases Peq = peso molecular Nº de protones o hidroxilos liberados Al(HO) 3 si se disocia totalmente, entonces su peso equivalente será: Peq Al(HO)3 = 78/3 = 26 Oxidos Peq = peso molecular carga total del catión Ejemplos: CaO Ca 2+ Peq CaO = 56/2 = 28 Na 2 O Na + (+1. 2 = +2) Peq Na2O = 62/2 = 34 Al 2 O 3 Al 3+ (+3. 2 = + 6) Peq Al2O3 = 102/6 = 17 FeO Fe 2+ Peq FeO = 72/2 = 36 Fe 2 O 3 Fe 3+ (+3. 2 = +6) Peq Fe2O3 = 160/6 = 26, 66 Para el caso de reacciones redox, el peso equivalente se calcula teniendo en cuenta los electrones puestos en juego en la reacción. Ejemplo: Se quiere preparar 100 ml de solución de KMnO 4 0,7 N para utilizarla en una reacción en donde MnO - 4 pasa a Mn 2+. Cuántos gramos de KMnO 4 se necesitan? Soluciones 5

7 Por definición: Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería UNSJ 1000 ml solución 1 N contienen 1 Peq Lo primero que debemos conocer es el peso equivalente de la sustancia en cuestión. Para nuestro caso en particular sabemos que el Mn pasará de un estado de oxidación +7 a otro +2. Esto indica que en la reacción hay 5 e - en juego. Entonces el peso equivalente viene determinado de la siguiente manera: Peq = Peso Molecular Nº de electrones en juego Peq = = 31,8 Planteamos ahora el problema tal cual lo veníamos haciendo en los ejemplos anteriores: 1000 ml solución 1 N 31,8 g KMnO ml solución 0,7 N x g KMnO 4 Un planteo general podría hacerse de la siguiente manera: 1000 ml solución 1 N 31,8 g KMnO ml solución 0,7 N x g KMnO 4 = 0,7. 31,8 / 1 = 22,26 (1*) 100 ml solución 0,7 N x g KMnO 4 = ,26 / 1000 = 2,226 g KMnO 4 (1*) Calculamos primero lo que corresponde a volumen constante (1000 ml) y luego realizamos el paso siguiente: realizamos el cálculo con el segundo y tercer renglón (N constante). Partes De Soluto Por Parte De Solución: Tal como lo indica su nombre esta denominación de concentración se basa en el número de partes de soluto (o solvente) presentes en un número específico de partes de solución. Las partes de solución pueden expresarse en términos de masa, volumen o moles. Tendremos así: Partes por masa Partes por volumen Soluciones 6

8 Partes por masa: el más común es el porcentaje de masa. Hace referencia a la masa de soluto disuelta en cada 100 partes de masa de solución, o bien, a la fracción de masa multiplicada por 100. % masa = masa de soluto x 100 masa de soluto + masa de solvente Es común escribirlo como % (p/p), lo que indica que el porcentaje es una relación de masas. Dos unidades muy similares son las partes por millón (ppm) y las partes por billón (ppb). En este caso multiplicamos por 10 6 o 10 9 en vez de 100. Partes por volumen: en este caso también se puede emplear el criterio de medir como partes por cien (por ciento), partes por millón o partes por billón. El símbolo comúnmente utilizado es % (v/v). El ejemplo diario lo observamos en el envase del alcohol comercial, en donde la etiqueta indica 70 % (v/v) y expresa que la concentración equivale a 70 volúmenes de alcohol por 100 volúmenes de solución. Un símbolo frecuentemente usado en soluciones acuosas es % (p/v), e indica una proporción de peso (masa) de soluto por volumen de solución. Por ejemplo: NaCl al 1,5 % (p/v) contiene 1,5 g de NaCl por cada 100 ml de solución. Fracción Molar La fracción molar (x) es la relación del número de moles de soluto al número de moles total (soluto más solvente) fracción molar (x) = Mol % = fracción molar * 100 EJEMPLO PRÁCTICO moles de soluto moles de soluto + moles de solvente En 40 g de agua se disuelven 5 g de ácido sulfhídrico, PM H2S = 34 g/mol. La densidad de la disolución formada es 1,08 g/cm 3. Calcula: a) el porcentaje en masa; b) la molalidad; c) la molaridad; d) la normalidad de la disolución y e) la fracción molar. Soluciones 7

9 a) masa de soluto = 5 g peso del solvente = 40 g peso de la solución = 40 g + 5 g = 45 g 45 g de solución 5 g de soluto 100 g de solución x = / 45 = 11,11 % b) Planteamos nuestro problema: 1000 g de solvente 34 g de H 2 S 1 m 40 g de solvente 5 g de H 2 S x m 1000 g de solvente 34 g de H 2 S 1 m 1000 g de solvente 5 g de H 2 S x m = 5 / 34 = 0,1471 m 1000 g de solvente 5 g de H 2 S 0,1471 m 40 g de solvente 5 g de H 2 S x m = ,1471 / 40 = 3,67 m c) En primer lugar necesitamos conocer el volumen de solución, para ello utilizamos el dato de densidad: 1,08 g 1 ml de solución 45 g x = 45 / 1,08 = 41,67 ml de solución Soluciones 8

10 Ahora planteamos nuestro problema: 1000 ml 34 g de H 2 S 1 M 41,67 ml 5 g de H 2 S x M 1000 ml 34 g de H 2 S 1 M 1000 ml 5 g de H 2 S x M = 5 / 34 = 0,1471 M 1000 ml 5 g de H 2 S 0,1471 M 41,67 ml 5 g de H 2 S x M = ,1471 / 41,67 = 3,53 M d) Para calcular la normalidad necesitamos conocer el número de equivalentes. Como es un ácido diprótico (lleva dos hidrógenos la molécula) el Eq- gramo es la mitad del mol: mol( g) 34g Eq gramo g; 1000 ml 17 g de H 2 S 1 N 41,67 ml 5 g de H 2 S x N 1000 ml 17 g de H 2 S 1 N 1000 ml 5 g de H 2 S x N = 5 / 17 = 0,2941 N 1000 ml 5 g de H 2 S 0,2941 N 41,67 ml 5 g de H 2 S x N = ,2941 / 41,67 = 7,06 N Soluciones 9

11 e) fracción molar (x) = moles de soluto moles de soluto + moles de solvente 34 g de H 2 S 1 mol 5 g de H 2 S x moles = 5 / 34 = 0,1471 moles de H 2 S 18 g de H 2 O 1 mol 40 g de H 2 O x moles = 40 / 18 = 2,22 moles de H 2 O x = 0,1471 0, ,22 = 0, 0621 Soluciones 10

12 PROBLEMAS Departamento de Electrónica y Automática Facultad de Ingeniería UNSJ 1. Determinar cuál es el reactivo limitante si hacemos reaccionar 25 ml de disolución 0,4M de NaOH, con 40 ml de disolución 0,3M de HCl. R: NaOH 2. Calcular la molaridad de 300 ml de una disolución acuosa que contiene 12 g de ácido sulfúrico. R: 0,41 M 3. Calcular la molaridad de una disolución de 2,12 g de KBr en 458 ml de disolución. R: 0,04 M 4. Calcular la molalidad y la fracción molar de etanol en una disolución de 20 g de etanol, C2H6O, en 100 g de agua. R: 4,3 m; X = 0,07 5. Expresar la concentración de 40 g de una solución acuosa que contiene 8 g de soluto y cuya densidad es de 1,15 g/cm 3, en: a) Gramos de soluto por 100 g de solución. b) Gramos de soluto por 100 g de disolvente. R: a) 20g de soluto en 100g de solución; b) 25g de soluto en 100g de solvente 6. Una solución acuosa contiene 10 g de sal en 40 g de solución. Expresar su concentración en: a) Gramos de sal por 100 g de agua. b) Gramos de sal por 100 g de solución. R: a) 33,3g de sal /100g de H2O;b) 25g de sal /100g de solución 7. Se disuelven 10 g de cloruro de sodio en 50 g de agua, expresar la concentración en: a) Gramos de sal por 100 g de solución. b) Gramos de sal por 100 cm 3 de disolvente. R: a) 16,67g de NaCl /100g de solución; b) 20g de NaCl /100g de solución 8. Hallar la normalidad de una solución de 50 g de H2SO4 en 500 ml de solución R: 2,04N 9. Qué cantidad de CaCl2 se necesitan para preparar 400 ml de solución 0,5M? R: 22,2g 10. Calcular los equivalentes gramos de Ca(OH)2, Al(OH)3 y Na2SO4. R: Ca(OH)2 = 37g ; Al(OH)3 = 26g ; Na2SO4 = 71g 11. Calcular la molaridad de 300 ml de una disolución acuosa que contiene 12 g de ácido sulfúrico. R: 0,41 M Soluciones 11

13 12. Calcular la molaridad de una disolución acuosa de cloruro de sodio, al 15% p/v y densidad 1,02 g/ml. R: 2,6 M 13. Indicar cómo se prepararía 250 ml de una disolución 1 M de ácido nítrico, si se dispone de un ácido nítrico comercial de densidad 1,15 g/ml y 25,48 % de riqueza en peso. R: 53,75 ml 14. Se disuelven 294 g de ácido fosfórico (H3PO4) hasta lograr 1 L de disolución. La densidad es 1,15 g/ml. Calcular la molaridad. R: 3M 15. Calcular el volumen que se debe tomar de una disolución de H2SO4 del 75 % de riqueza y densidad 1,4 g/ml, para preparar 2 l de una disolución 3 M. R: 560 ml 16. Disponemos de 100 ml de una disolución de HCl 0,5 M y deseamos preparar 100 ml de otra disolución de HCl exactamente 0,05 M. Cómo procedería? R: 0,01 L 17. Se prepara una disolución disolviendo 180 g de hidróxido de sodio en 400 g de agua. La densidad de la disolución resultante es de 1,34 g/ml. Calcular: a. La molaridad de la disolución. b. Los g de NaOH necesario para preparar 1 L de una disolución 0,1 M. R: a) 10,4 M; b) 4 g 18. Se disuelven 294 g de ácido fosfórico (H3PO4) hasta lograr 1 L de disolución. La densidad es 1,15 g/ml. Calcular la molaridad, molalidad, % en peso y fracción molar. R: 3M; 3,5m; 25,56 %; X = 0, Se dispone de una disolución de ácido nítrico cuya riqueza es del 70 % y su densidad es 1,42 g/ml. a) Cuál es la molaridad de dicha disolución y la fracción molar? b) Cuántos g de esta disolución serán necesarios para preparar 300 ml de ácido nítrico 2,5M? R: a) 15,7 M; X = 0,4; b) 67,5 g 20. Si a 52 g de sacarosa (C12H22O11) se añaden 48 g de agua para formar una disolución que tiene una densidad de 1,24 g/ml. Calcular: a) El porcentaje en peso de sacarosa. b) La molaridad de la disolución de sacarosa. R: a) 52% b) 1,88 M Soluciones 12

14 21. Una solución acuosa contiene 10 g de sal en 40 g de solución. Expresar su concentración en: a) Gramos de sal por 100 g de agua. b) Gramos de sal por 100 g de solución. R: a) 33,33 g; b) 25 g 22. En la etiqueta de un frasco de ácido sulfúrico figuran los siguientes datos: densidad 1,84 g/ml; riqueza 96% (en peso). a) Averiguar la concentración molar del ácido. b) Cuántos ml de hidróxido sódico 2 M se requieren para que reaccionen completamente con 10 ml de ácido sulfúrico del frasco? R: a) 18,02 M ; b) 180,2 ml 23. Una disolución de ácido clorhídrico, al 37,2 % en peso, tiene una densidad de 1,19 g/ml: a) Cuál es la molaridad? b) Qué peso de ácido clorhídrico hay en 50 ml de la misma? R: a) 12,12 M; b) 22,13 g 24. En la etiqueta de un frasco de ácido clorhídrico dice: densidad 1,19 g/ml; riqueza 37,1 % en peso. Calcula la molaridad de ese ácido R: 12,09 M 25. Cuál es la molaridad de una disolución de 20 g de NaCl en 180 ml de agua? R: 1,9M 26. Al neutralizar 10 ml de cierta disolución de hidróxido de sodio (NaOH) se gastaron 20 ml de ácido sulfúrico (H2SO4) 0,2 N. Calcular la normalidad de la solución de hidróxido sódico. R: 0,4N 27. Qué volumen de ácido clorhídrico con una densidad de 1,17 g/ml y un 33,46 % de riqueza han de medirse para preparar 1 litro de disolución 0,2 N. R: 18,69ml 27. El ácido sulfúrico concentrado tiene una densidad de 1,84 g/ml y contiene un 95 % de ácido puro. Calcular: a) El contenido en g/ml b) La molaridad c) La normalidad R: a) 1,75 g/ml; b) 17,84M; c) 35,67N 28. Calcular cuántos gramos de ácido nítrico al 60 % son necesarios para preparar 300 ml de solución 0,2 N de HNO3. R: 6,3 g Soluciones 13

15 29. Se tienen 5 gramos de AlF3 en 250 ml de solución, cuál será la Normalidad? R: 0,72 N 30. Hallar los pesos equivalentes de las siguientes sustancias: a) Dicloruro de estaño cuando se oxida a tetracloruro de estaño. b) Permanganato potásico actuando como oxidante en medio ácido, el cual pasa a monóxido de manganeso. c) Permanganato de potasio como oxidante en medio básico, el cual pasa a dióxido de manganeso. R: a) 94,5g/mol; b) 31,6 g/mol ;c) 52,6 g/mol Soluciones 14