Tema 5: Disoluciones. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

Transcripción

1 Tema 5: Disoluciones Tipos de disoluciones. Concentración. Solubilidad de gases. Diagramas de fases de dos componentes. Propiedades coligativas: presión osmótica, disminución del punto de fusión y aumento del punto de ebullición de las disoluciones de no electrolitos. Disoluciones de electrolitos. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

2 Clasificación de la materia Materia Puede separarse mediante un proceso físico? SI NO Mezcla Sustancia pura Es homogénea? Se descompone por un proceso químico? SI NO SI NO Homogénea Heterogénea Compuesto Elemento Disolución (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

3 Definiciones Una disolución (solución) es una mezcla homogénea, a nivel molecular, de dos o más sustancias. El disolvente (solvente) es el componente que está en mayor proporción. Determina además el estado de agregación de la disolución. Los solutos son, por tanto, los componentes disueltos en el disolvente. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

4 Tipos de disoluciones Disolvente Solutos Ejemplos Sólido Aleaciones: Acero (C+Fe), Bronce (Cu+Sn) Sólido Líquido Amalgamas: Au(s) + Hg(l) Gas Metal + H 2 (g) Sólido ClNa(s) + H 2 O(l) Líquido Líquido CH 3 CH 2 OH(l) + H 2 O(l) Gas CO 2 (g) + H 2 O(l) Sólido Naftalina en aire (sublimación) Gas Líquido H 2 O(l) en aire Gas O 2 (g) en N 2 (g) (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

5 Composición de las disoluciones: expresiones de las concentraciones Tanto por ciento ( %) en masa, también denominado porcentaje. % masa i = masa i j masa j 100 [ %] Molaridad, M, también denominada concentración molar, se suele representar con corchetes, ej. [NaCl]. [ ] n M i = i mol V disolucion (l) L Molalidad, m, también denominada concentración molal. [ ] n m i = i mol masa de disolvente (kg) kg (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

6 Composición de las disoluciones: otras expresiones Tanto por ciento ( %) en volumen. volumen de soluto % volumen = 100 [ %] volumen de disolución Fracción molar, x, representa el tanto por 1 de moles de la especie considerada. x i = moles de especie i moles de todos los componentes de la disolución Presenta además los límites 0 x 1. Partes por millón, ppm: ppm i = masa i j masa 10 6 [ppm] j [No tiene] Se usa para concentraciones extremadamente bajas de soluto (trazas). (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

7 Preparación de disoluciones Material necesario: vidrio de reloj, balanza, vaso de precipitados y matraz aforado. Pasos: Pesar la cantidad de soluto, disolverlo en un poco de disolvente, enrasar y homogeneizar. En el caso de concentraciones muy bajas, las disoluciones finales se preparan por dilución de disoluciones de concentración intermedia. Véase (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

8 Entalpía y entropía de disolución La disolución de una sustancia en un disolvente puede considerarse como un proceso en tres etapas (reales o no): separación de las moléculas del soluto, separación de las moléculas del disolvente mezcla y acercamiento de las moléculas de soluto y disolvente para formar la disolución. La entalpía del sistema aumenta en las dos primeras etapas y disminuye en la segunda. El signo de la entalpía total depende del balance global de las entalpías de las etapas. Puede ser positivo (proceso endotérmico o endoérgico) o negativo (proceso exotérmico o exoérgico). En la disolución de sólidos en líquidos, la entropía casi siempre aumenta al formarse la disolución. En la disolución de gases en líquidos, la entropía suele disminuir al formarse la disolución. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

9 Solubilidad Las sustancias completamente miscibles se pueden disolver en todas las proporciones. Las sustancias que se pueden disolver, pero no en todas las proporciones, son parcialmente miscibles. La solubilidad es la concentración máxima que puede alcanzar un determinado soluto en un disolvente dado. La solubilidad depende de la temperatura y de la presión. Que una sustancia sea soluble en un disolvente (y en qué medida lo sea) depende de la entalpía y la entropía de disolución. En un sistema a T y P constantes, la solubilidad depende de la variación de la energía libre de Gibbs en el proceso de formación de la disolución. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

10 Disoluciones ideales y no ideales Una disolución es ideal si las fuerzas intermoleculares entre todas las moléculas son iguales. La entalpía de disolución de una disolución ideal es cero. En las disoluciones no ideales, tomando: H a : entalpía para la separación de las moléculas de soluto (> 0), H b : entalpía para la separación de las moléculas de disolvente (> 0), H c : entalpía de interacción entre las moléculas de soluto y disolvente (< 0) si H a + H b + H c < 0, el proceso de disolución es exotérmico; si H a + H b + H c > 0, el proceso es endotérmico; si H a + H b + H c 0, la sustancia no se disuelve. Las disoluciones de electrolitos nunca son ideales. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

11 Temperatura y solubilidad En la mayor parte de los casos, la solubilidad de los sólidos en líquidos suele aumentar con la temperatura. Hay algunos casos en que esa solubilidad disminuye con la temperatura. La solubilidad de la gran mayoría de los gases en agua disminuye con la temperatura. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

12 Presión y solubilidad En el caso de sustancias sólidas y líquidas, la presión afecta poco a la solubilidad. En el caso de gases, la solubilidad siempre aumenta con la presión (Ley de Henry): S = k P gas (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

13 Propiedades coligativas Propiedades Coligativas: Son aquellas propiedades de una disolución que dependen únicamente de la concentración de partículas de soluto, y no dependen de la naturaleza o tipo de soluto. Están estrechamente relacionadas con la presión de vapor a una temperatura dada, que es la presión que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida (sólida), cuando el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, en equilibrio con la fase líquida (sólida). (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

14 Presión de vapor Presión de vapor de una sustancia pura a una temperatura T : Es la presión que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida (sólida), cuando el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, en equilibrio con la fase líquida (sólida). Sustancia pura (l) Sustancia pura (g) Presión de vapor de una disolución a una temperatura T : Es la presión que ejerce la fase de vapor formada por los componentes volátiles de la disolución sobre la fase líquida (sólida), cuando el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, en equilibrio con la fase líquida (sólida). (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

15 Ley de Raoult La presión parcial del vapor de una especie i de una disolución ideal, a una temperatura T, si el vapor se comporta como un gas ideal, viene dada por: P i = x i P i François-Marie Raoult (1887) donde Pi es la presión de vapor de la sustancia i pura a la temperatura considerada y x i la fracción molar de i en el líquido. La presión de vapor total viene dada entonces por: P v = i x i P i (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

16 Presión de vapor de una disolución ideal de dos componentes Para una disolución ideal de dos componentes, A y B, que siga la ley de Raoult: P A = P A x A P B = P B x B = P B (1 x A) P tot = P A + P B = PA x A + PB (1 x A) = (P A P B ) x A + P B (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

17 Composición del líquido y del vapor de una disolución ideal de dos componentes X A : fracción molar de A en el sistema completo. x A : fracción molar de A en la fase líquida. y A : fracción molar de A en la fase gas. X B : fracción molar de B en el sistema completo. x B : fracción molar de B en la fase líquida. y B : fracción molar de B en la fase gas. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

18 Destilación (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

26 Destilación del petróleo (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

27 Desviaciones de la idealidad Ley de Henry: P s = K h,s x s Desviaciones positivas Desviaciones negativas (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

28 Desviaciones grandes respecto a la idealidad Desviaciones positivas Desviaciones negativas (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

29 Azeótropos Desviaciones positivas Desviaciones negativas (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

30 Desviaciones negativas respecto a la idealidad Disolución de agua (H 2 O) y ácido fórmico (HCOOH) (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

31 Desviaciones positivas respecto a la idealidad Disolución de cloroformo (CHCl 3 ) y metanol (CH 3 OH) (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

32 Ósmosis El fenómeno de ósmosis es el paso de un disolvente puro a una disolución que está separada por una membrana semipermeable, que deja pasar el disolvente pero no el soluto. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

33 Presión Osmótica El fenómeno de ósmosis es el paso de un disolvente puro a una disolución que está separada por una membrana semipermeable, que deja pasar el disolvente pero no el soluto. La presión osmótica, π, es la presión que se debe aplicar a la disolución para detener la difusión del disolvente. Como es una propiedad coligativa, dependerá unicamente de la concentración de moléculas de soluto, pero no de su naturaleza. Se puede obtener mediante una ecuación formalmente análoga a la ecuación de los gases ideales: πv = nrt π = MRT donde n es el número de moles de soluto disueltos, V el volumen de la disolución, R la constante de los gases ideales y M = n/v la concentración molar del soluto. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

34 Presión Osmótica Celular Imágenes obtenidas de: (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

35 Descenso crioscópico y aumento ebulloscópico Descenso crioscópico: Tf M Tf D = Kf D m, donde Kf D es la constante crioscópica del Disolvente y m la molalidad. Aumento ebulloscópico: T M e T D e = K D e m donde K D e es la constante ebulloscópica del Disolvente. Unidades de K D f y K D e : C m 1 = K m 1 (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

36 Disoluciones de electrolitos Un electrolito es una sustancia que produce iones en disolución. Las disoluciones de electrolitos conducen la electricidad. Para un disolvente dado un electrolito es fuerte si a concentraciones moderadas conduce bien la electricidad. En caso contrario se dice que el electrolito es débil. Un electrolito es verdadero si está formado por iones en estado puro. La mayoría de las sales son electrolitos verdaderos. Un electrolito es potencial si está formado por moléculas sin carga en estado puro que pueden reaccionar con el disolvente produciendo iones. Los ácidos orgánicos débiles son electrolitos potenciales. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

37 Factor de Van t Hoff Las disoluciones de electrolitos presentan importantes desviaciones respecto al comportamiento ideal. Descenso crioscópico: Tf M Tf D = Kf D φ ν m. Aumento ebulloscópico: Te M Te D = Ke D φ ν m. Presión osmótica: π = φ ν MRT En los tres casos, el factor φ ν recibe el nombre de factor de Van t Hoff. El factor de Van t Hoff depende del número de iones que se generan en la disolución y de la interacción entre ellos. (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38

38 Factor de Van t Hoff Molalidad, m Soluto Dil. inf. NaCl MgSO Pb(NO 3 ) (Químic General) Disoluciones 6 de noviembre de / 38