TEMA 3: DISOLUCIONES

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1 TEMA 3: DISOLUCIONES 1. Las disoluciones Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. Esto quiere decir que cualquier porción que tomemos de ella tiene la misma composición y propiedades. Habitualmente, en una disolución se llama: Disolvente al componente que está en mayor proporción. Soluto al componente (o componentes) que están en menor proporción. No siempre es posible decidir qué sustancia actúa como soluto y cuál como disolvente. En el caso de las disoluciones acuosas, que son las más comunes, asignaremos al agua el papel de disolvente (y en la mayoría de los casos trabajaremos con disoluciones en las que el disolvente es un líquido y el soluto es un sólido o un líquido) Tanto el soluto como el disolvente se pueden encontrar en cualquier estado físico. En el siguiente cuadro se indican ejemplos de cada caso: Disolvente Soluto Disolución Ejemplos Gas Gas Gas Aire Gas Líquido Agua con gas Líquido Líquido Líquido Agua y alcohol Sólido Líquido Agua y sal Gas Sólido Gas absorbido sobre metal (hidrógeno sobre paladio) Sólido Líquido Sólido Amalgama Sólido Sólido Aleaciones 2. Concentración de una disolución Para que una disolución quede completamente definida, debemos conocer, además de la naturaleza de sus componentes, las cantidades relativas en las que se hallan. Cuando una disolución no admite más cantidad de soluto a una cierta temperatura y en una determinada cantidad de disolvente, diremos que estamos ante una disolución saturada. Si la cantidad de soluto en esa misma cantidad de disolvente está próxima a la saturación, la denominaremos disolución concentrada, y por último, si la cantidad de soluto es muy pequeña con respecto a la del soluto en la disolución concentrada, diremos que está diluida. Se denomina concentración de una disolución a la cantidad de soluto que está disuelto en una determinada cantidad de disolución o en una determinada cantidad de disolvente. Para expresar la concentración de una disolución se utilizan dos tipos de unidades: Unidades físicas, cuando no se considera la composición de la sustancia disuelta: porcentaje en masa, porcentaje en volumen y masa de soluto por volumen de disolución. Unidades químicas, cuando se tiene en cuenta la composición de la sustancia disuelta: molaridad, molalidad y fracción molar Porcentaje en masa 1

2 Se utiliza este modo de expresar la concentración cuando las cantidades de las sustancias que forman la disolución se miden en unidades de masa (gramos, kilogramos, etc.) % en masa de soluto = masa de soluto masa de disolución 100 La masa del soluto y la del disolvente se deben expresar en las mismas unidades, un porcentaje no tiene unidades. Si decimos, por ejemplo, que una disolución salina está al 8% en masa, significa que, de cada 100 g de disolución, 8 g son de sal y el resto, 92 g, es agua. ACTIVIDAD RESUELTA 1 Se disuelven 10 g de cloruro de sodio, NaCl, en 75 g de agua. Calcula: a) El porcentaje en masa del soluto en la disolución; b) Los gramos de soluto que habrá en 5 g de la disolución anterior Porcentaje en volumen a) % en masa de NaCl = b) 5 g disolución 10 g de NaCl 100 = 11,8% 85 g de disolución 10 g de NaCl = 0,59 g de NaCl 85 g disolución Se utiliza este modo de expresar la concentración cuando las cantidades de las sustancias que forman la disolución se miden en unidades de volumen (ml, L, etc.) % en volumen de soluto = volumen de soluto volumen de disolución 100 El volumen del soluto y el del disolvente se deben expresar en las mismas unidades, un porcentaje no tiene unidades. Por ejemplo, si se dice que una disolución acuosa de agua oxigenada, H 2O 2, es de 30 volúmenes (30% en volumen), se está indicando que en 100 L de disolución hay 30 L de H 2O 2. ACTIVIDAD RESUELTA 2 La cerveza normal tiene un 5% de alcohol. Qué cantidad de alcohol toma una persona que bebe medio litro de cerveza? volumen de soluto % en volumen de soluto = volumen de disolución ml volumen alcohol = Concentración en masa = volumen alcohol 500 ml = 25 ml Normalmente se utiliza este modo de expresar la concentración cuando el soluto es un sólido cuya cantidad se mide en unidades de masa y el disolvente es un líquido cuya cantidad se mide en unidades de volumen

3 concentración en masa de soluto = masa de soluto volumen de disolución (L) En el SI se debe medir en kg/m 3, aunque lo más frecuente es medirlo en g/cm 3 o g/l (en algún caso, por ejemplo en algunos análisis clínicos, se expresa en g/100 ml). Así, que una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) tenga una concentración de 3 g/l, significa que en 1 L de disolución hay 3 g de NaOH. ACTIVIDAD RESUELTA 3 Determina la concentración en masa de una disolución que se ha preparado añadiendo 5 g de azúcar a agua hasta tener un volumen de 150 ml. concentración en masa de azúcar = 5 g = 33,3 g/l 0,15 L Es muy importante, tener presente que no se debe confundir la concentración en masa de una disolución con la densidad de la disolución. Aunque se miden en las mismas unidades, representan conceptos distintos. Densidad de una disolución representa la relación entre la masa y el volumen de la disolución. La densidad es una propiedad que tienen todas las sustancias, tanto si son sustancias puras como si son mezclas. Concentración en masa de una disolución representa la relación entre la masa del soluto y el volumen de la disolución. No tiene sentido hablar de la concentración de una sustancia pura. ACTIVIDAD RESUELTA 4 Se prepara una disolución disolviendo 20 g de sal en agua hasta tener un volumen de medio litro. La disolución resultante tiene una densidad de 1,04 g/ml. Calcula la concentración de la misma expresada como porcentaje en masa y como concentración en masa. Con el dato de la densidad podemos calcular la masa de medio litro de disolución y a partir de él calculamos el porcentaje en masa de sal y su concentración en masa: 1,04 g 500 ml 1 ml = 520 g de disolución % masa sal = 20 g sal 100 = 3,85% 520 g disolución concentración en masa = masa de sal 20 g = = 40 g/l volumen de disolución 0,5 L A.1. 50,0 ml de una disolución de hidróxido de potasio (KOH) contienen 6,1 g de soluto puro. Sabiendo que la densidad de la disolución es 1,1 g/ml, calcula el porcentaje en masa. A.2. Necesitamos administrar a un paciente un suero fisiológico al 20% y de densidad 1,15 g/ml. Calcula: a) La cantidad de glucosa y de agua que necesitamos para preparar 3 L de ese suero; b) La concentración del suero expresada en g/l. 3

4 2.4. Concentración molar En el laboratorio de química la mayor parte de las veces utilizaremos las cantidades de las sustancias expresadas en moles. De ahí el interés de expresar la concentración de las disoluciones como concentración molar o molaridad. La molaridad (M) de una disolución indica los moles de soluto existentes en 1 L de disolución: M = moles de soluto volumen (L)de disolución = n m s V = PM V = m V PM La unidad en que se expresa la molaridad es mol/l, aunque comúnmente suele indicarse el resultado como x M (se lee «x molar»), donde x puede tomar cualquier valor. ACTIVIDAD RESUELTA 5 Supongamos que se desea conocer la molaridad de la disolución obtenida al disolver 15 g de nitrato de potasio (KNO 3) en agua hasta obtener 250 ml de disolución. Para ello, lo único que necesitamos saber son los moles de nitrato de potasio que se hallan presentes, pues el volumen final de la disolución lo conocemos. La masa molar del KNO 3 es: = 101 g/mol. Por consiguiente, los moles de KNO 3 son: n S = ACTIVIDAD RESUELTA 6 15 g 0,15 mol = 0,15 mol M = 101 g/mol 0,25 L mol = 0,6 (o bien 0,6 M) L El ácido clorhídrico concentrado comercial (HCl) indica en su etiqueta que es del 35% en masa de soluto y de 1.19 g/ml de densidad. Determina su concentración molar. Como la densidad de la disolución es 1,19 g/ml, quiere decir que en 1 ml de disolución tiene una masa de 1,19 g (de disolución), luego en 1 L de disolución (1000 veces más) tendrá una masa de 1190 g (de disolución). Como nos dice que es del 35% en masa de soluto, en los 1190 g de disolución habrá de soluto: 1190 g disolución 1 L disolución 35 g soluto g de soluto (HCl puro) = 416,5 100 g disolución 1 L disolución Como la masa molar del HCl es 36,5 g/mol, los moles de soluto que habrá en 1 L de disolución (es decir la molaridad) serán: M = 416,5 g 36,5 g/mol = 11,4 M 1 L Si te fijas en el ejercicio anterior, verás que se puede generalizar la siguiente fórmula, ya que se trata de un cálculo muy habitual en Química: M = d % PM 100 d: densidad de la disolución en g/l; %: porcentaje en masa de soluto; PM: masa molar del soluto. 4

5 En nuestro caso: M = d % PM = = 11,4 M 36, Preparación de disoluciones El trabajo habitual en el laboratorio exige, con frecuencia, la preparación de una disolución de concentración conocida, ya sea directamente a partir del sólido o a partir de otra disolución ya preparada. La preparación de disoluciones precisa la medida exacta de volúmenes. Para la medida de volúmenes contenidos se suele utilizar el matraz aforado. Otros aparatos miden el volumen vertido, como la pipeta. Preparación de una disolución a partir de un sólido Por ejemplo, supongamos que queremos preparar medio litro de una disolución 0,4 M de hidróxido de sodio (NaOH). Primero calculamos la cantidad de soluto necesario teniendo en cuenta que la masa molar del NaOH es 40 g/mol: 0,4 mol 0,5 L 1 L A continuación preparamos la disolución. Para ello: 40 g = 8 g de NaOH 1 mol 1. Colocamos sobre una balanza un vidrio de reloj, la taramos y con la espátula cogemos el NaOH del frasco y pesamos los 8 g. 2. Cogemos un vaso de precipitados de 250 ml y ponemos en él un poco de agua (por ejemplo 200 ml). Echamos sobre el agua el NaOH que hemos pesado cuidando que no quede nada en el vidrio de reloj. Removemos a continuación con una varilla de vidrio hasta que el NaOH esté completamente disuelto. 3. Vertemos la disolución, usando un embudo, en un matraz aforado de 500 ml de volumen y añadimos agua con un frasco lavador al principio y después con una pipeta hasta llegar a la marca del aforo de 500 ml. Preparación de una disolución a partir de otra más concentrada Si al cocinar un caldo te sale muy salado y lo quieres con sabor más suave qué puedes hacer? Y si el color de una pintura es demasiado intenso y quieres rebajarlo qué haces? Muy sencillo: añades agua, con lo que obtienes una disolución más diluida, con menor sabor o color. Ahora vas a ver cómo se realiza el proceso en el laboratorio. En el laboratorio se dispone de HCl concentrado, aproximadamente 12 mol/l. Sin embargo, como reactivo se suele utilizar en concentraciones de 1 mol/l o menores. Qué debes hacer para preparar la disolución que necesitas? En todos los casos hay que diluir la disolución original; es decir, obtener una disolución de menor concentración que la inicial. El procedimiento es muy simple: solamente hay que tomar disolución inicial y añadirle agua. El volumen de disolución a tomar y la cantidad de agua a añadir dependen del volumen de disolución diluida que se quiera preparar, así como de su concentración. 5

6 Por ejemplo, supongamos que queremos preparar 250 ml de disolución 0,1 M de hidróxido de sodio, NaOH, y disponemos de una disolución más concentrada (0,4 M) En primer lugar debemos calcular la cantidad de soluto que nos hace falta y el volumen de disolución concentrada que debemos tomar que contenga exactamente esa cantidad: 1 L disolución 0,1 mol NaOH 250 ml disolución = 0,025 mol NaOH 1000 ml disolución 1 L disolución 1 L disolución 0,025 mol NaOH = 0,0625 L disoluc. 0,4 M 0,4 mol NaOH Es decir, deberemos tomar 62,5 ml de disolución 0,4 M y diluir hasta completar 250 ml, por lo que el volumen de agua que utilizaremos será: ,5 = 187,5 ml. El procedimiento a seguir será: 1. Tomamos con una pipeta 62,5 ml de disolución 0,4 M. 2. Ayudándonos con un frasco lavador colocamos en un matraz aforado de 250 ml un cierto volumen de agua (unos 150 ml). 3. Con un embudo vertemos los 62,5 ml de la disolución 0,4 M en el matraz aforado y removemos para homogeneizar la disolución y por último, con una pipeta completamos con agua hasta llegar a la señal del aforo. También podemos proceder de la siguiente forma: Como la cantidad de sustancia de soluto en el volumen V c de disolución concentrada es la misma que en el volumen V d de disolución diluida, ya que se añade solamente agua querrá decir que: número de moles de la disolución concentrada = número de moles de la disolución diluida. Escribiendo las cantidades de sustancia en función de la concentración y del volumen, se tiene la expresión final, que es la que se utiliza habitualmente en los cálculos: M c V c = M d V d. Fíjate en que sabrás tres de las cuatro magnitudes y calcularás la que te falte. En nuestro caso: ACTIVIDAD RESUELTA 7 0,4 V c = 0,1 250 V c = 0, ,4 = 62.5 ml El ácido nítrico concentrado (HNO 3) es del 68% en masa y de densidad 1.40 g/ml. Indica el procedimiento para preparar 500 ml de HNO mol/l. En los 500 ml (0,5 L) de disolución de HNO 3 0,6 M hay (teniendo en cuenta que la masa molar del HNO 3: 0,5 L 0,6 mol 1 L = 0,3 mol de HNO 3 0,3 mol 63 g 1 mol = 18,9 g HNO 3 Que debemos tomar de la disolución concentrada, por lo que necesitaremos un volumen de la misma de: 100 g disolución 1 ml disolución 18,9 g HNO 3 = 20 ml 68 g HNO 3 1,40 g disolución El procedimiento a seguir sería como el indicado anteriormente: 1. Tomamos con una pipeta 20 ml de la disolución concentrada (del 68% en masa y densidad 1,40 g/ml) 6

7 2. Ayudándonos con un frasco lavador colocamos en un matraz aforado de 500 ml un cierto volumen de agua (unos 350 ml). 3. Con un embudo vertemos los 20 ml de la disolución concentrada en el matraz aforado y removemos para homogeneizar la disolución y por último, con una pipeta completamos con agua hasta llegar a la señal del aforo. Podemos proceder también como lo hemos hecho anteriormente. Para ello, calculamos en primer lugar la concentración de la disolución concentrada (ver actividad resuelta 6): A partir de ella: M = d % PM = V c = 0,6 500 V c = = 15 M 0, = 20 ml A.3. Cuál es la molaridad de 250 cm 3 de una disolución que contiene 70 g de glucosa (C 6H 12O 6)? A.4. Queremos preparar 250 ml de una disolución acuosa de cloruro de potasio, KCl, 1,5 M. Calcula qué cantidad de soluto necesitamos y explica cómo la preparamos. A.5. Cuál es la molaridad del ácido sulfúrico (H 2SO 4) comercial del 96% de riqueza y 1,85 g/ml de densidad? A.6. Se desean preparar 500 ml de una disolución 0,5 M de ácido clorhídrico (HCl) a partir de un ácido de concentración 18 M. Qué volumen de este último ácido debe tomarse? Explica cómo la prepararías. A.7. Cuál será la concentración de una disolución que se prepara añadiendo agua a 50 ml de una disolución de ácido nítrico, HNO 3, 1,5 M hasta tener un volumen de 250 ml? 2.6. Concentración molal Este modo de expresar la concentración resulta adecuado para cuando estudiemos las propiedades coligativas de las disoluciones. La concentración molal o molalidad (m) de una disolución expresa los moles de soluto que hay por cada kilogramo de disolvente: m = moles de soluto masa (kg) de disolvente La unidad en que se expresa la molalidad es en mol/kg o bien como x m (que se lee «x molal»). A.8. Calcula la molalidad de una disolución obtenida disolviendo 1 g de hidróxido de calcio, Ca(OH) 2, en 100 ml de agua (densidad del agua 1 g/ml). A.9. Qué cantidad de glucosa, C 6H 12O 6, tenemos que mezclar con medio litro de agua para tener una disolución 1,2 m? 2.7. Fracción molar Se denomina fracción molar, X, de un componente en una mezcla a la relación que hay entre el número de moles de ese componente y el número total de moles de la mezcla. 7

8 Así, para una disolución de dos componentes (soluto y disolvente), podemos definir la fracción molar de soluto y la fracción molar de disolvente, respectivamente, de la siguiente manera: moles de soluto X s = moles de soluto + moles de disolvente = n s moles de disolvente y X n s + n d = d moles de soluto + moles de disolvente = n d n s + n d Es fácil comprobar que en una disolución de dos componentes se cumple la siguiente igualdad: X S + X d = 1 A.10. Calcula las fracciones molares de los componentes de una disolución que se ha obtenido disolviendo 30 g de cloruro de sodio, NaCl, en 500 ml de agua. 3. Solubilidad Hay sustancias que, en un determinado disolvente, no se disuelven o se disuelven muy poco; entonces se dice que son insolubles en él (por ejemplo, el aceite es insoluble en agua). Pero incluso cuando una sustancia es soluble en un disolvente, llega un momento en el que el disolvente no admite más cantidad de soluto; si se añade más, el exceso de soluto no se disolverá, sino que se depositará en el fondo del recipiente; habremos formado una disolución saturada. Se denomina solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente y a una determinada temperatura a la concentración del soluto en su disolución saturada. En otras palabras, la solubilidad de una sustancia representa la máxima cantidad de soluto que, a una determinada temperatura, puede disolverse en una cantidad fija de disolvente. La solubilidad suele expresarse en g de soluto/100 g de disolvente, o en g de soluto/ 1 L de disolvente Variación de la solubilidad con la temperatura y la presión De todos es conocido que el azúcar se disuelve mejor en agua caliente que en agua fría. La mayoría de los sólidos se disuelven por procesos endotérmicos (procesos en los cuales se absorbe energía), por lo que, en general, son más solubles en caliente que en frío. Muchos líquidos y gases, al disolverse mediante procesos exotérmicos (procesos en los cuales se desprende energía), experimentan una disminución de la solubilidad al aumentar la temperatura. Es el caso del oxígeno, por ejemplo, en el agua. Este efecto resulta especialmente nocivo cuando se vierten residuos industriales calientes en ríos o lagos; entonces se reduce la cantidad de oxígeno disuelto en el agua hasta alcanzar niveles que hacen peligrar la vida acuática. La representación gráfica de la solubilidad de las sustancias en función de la temperatura, a presión normal, se denomina curva de solubilidad. En el caso de los gases, la presión también influye en su solubilidad cuando están disueltos en un líquido. En general, la solubilidad de un gas en un líquido aumenta al aumentar la presión del mismo sobre el líquido. Así, muchas veces hemos comprobado que, al abrir una lata de refresco carbonatada, gran parte del dióxido de carbono (CO 2) disuelto en el líquido sale al exterior. Esto sucede porque el CO 2 se introduce a 8

9 mayor presión que la de la atmósfera y, al abrir la lata, dicha presión se reduce hasta igualarse con la atmosférica; al disminuir la presión, también lo hace la solubilidad del CO 2 y la bebida pierde gas. A.11. La solubilidad del azúcar en agua a 20 ºC es 200 g/100 ml de agua y a 80 ºC es 375 g/100 ml de agua. Calcula la máxima cantidad de azúcar que se podrá disolver en 50 ml de agua a 20 ºC. Y si estuviese a 40 ºC? Y si estuviese a 80 ºC? 4. Propiedades coligativas Cuando un soluto se disuelve en un disolvente, algunas propiedades de este último, como la presión de vapor, los puntos de fusión y de ebullición y la presión osmótica, se ven modificadas. Estas propiedades reciben el nombre de propiedades coligativas, ya que se modifican al variar la concentración de los componentes y no dependen de la naturaleza o tamaño de sus partículas Presión de vapor Si tenemos un líquido en un recipiente abierto, éste pierde partículas constantemente, es decir, se evapora. Pero, cuando cerramos el recipiente, junto con la evaporación se produce simultáneamente una condensación de parte de las partículas evaporadas. Después de cierto tiempo, se llega a una situación de equilibrio entre el líquido que se evapora y el gas que condensa. La presión que ejerce este vapor recibe el nombre de presión de vapor y es característica de cada líquido. La presión de vapor de la disolución formada por un soluto y un disolvente es inferior a la del disolvente puro, ya que en la disolución las moléculas del soluto (no volátiles) entorpecen el escape de las moléculas de disolvente. De esta forma, cuanto mayor sea la concentración del soluto menor será la presión de vapor de la disolución. Este comportamiento de la presión de vapor de una disolución fue descrito en la llamada ley de Raoult, enunciada por el fisicoquímico francés François Marie Raoult en 1887: «El descenso de la presión de vapor de la disolución respecto a la del disolvente puro es directamente proporcional a la fracción molar de soluto». Matemáticamente: P = P 0 X S En esta expresión, P es la disminución de la presión de vapor de la disolución respecto a la del disolvente ( P = P 0 P), P 0 es la presión de vapor del disolvente puro, P es la presión de vapor de la disolución y X S es la fracción molar del soluto. A.12. Calcula el descenso de la presión de vapor del agua si se añaden 20 g de glucosa (C 6H 12O 6) en 500 g de agua a 25 ºC. Dato: P 0 (agua) = 23,8 mm Hg Puntos de fusión y de ebullición La disminución de la presión de vapor de un disolvente debida a la adicción de un soluto afecta de manera directa a las temperaturas de fusión y de ebullición, de forma que: 9

10 La adicción de un soluto no volátil a un disolvente produce un aumento en su temperatura de ebullición o aumento ebulloscópico, t e, y una disminución en su temperatura de fusión o descenso crioscópico, t f. Experimentalmente, se encuentra que estas variaciones dependen de la naturaleza del disolvente y de la concentración de soluto. Estos dos factores quedan recogidos en las siguientes expresiones, que son otra forma de escribir la ley de Raoult: t f = K c m t e = K e m Donde K c y K e son, respectivamente, la constante crioscópica y la constante ebulloscópica del disolvente, midiéndose ambas en ºC Kg mol 1, y m, la molalidad. A.13. Calcula la temperatura de congelación y de ebullición de una disolución acuosa, resultado de añadir a 500 g de agua 20 g de glucosa (C 6H 12O 6). Datos: K c = 1,86 ºC Kg mol 1 ; K e = 0,52 ºC Kg mol Presión osmótica Existen unas membranas, denominadas semipermeables, que presentan unos poros de un tamaño tal que por ellos sólo pueden pasar moléculas pequeñas, mientras que las grandes quedan retenidas. Si se cogen dos disoluciones de agua y azúcar de diferente concentración y se separan por una membrana semipermeable, se produce un paso de disolvente (moléculas pequeñas) de la disolución más diluida a la más concentrada, mientras que el azúcar no podrá pasar (moléculas grandes). Este fenómeno se conoce por ósmosis. A medida que el disolvente pasa de la disolución más diluida a la más concentrada, el nivel de líquido de esta última aumenta, mientras que en la diluida disminuye. Este flujo de disolvente se mantiene hasta que llega un momento en que la diferencia de niveles de líquido entre ambos compartimientos contrarresta el flujo de disolvente, llegándose al equilibrio. La presión hidrostática, debida a la diferencia entre los niveles de líquido de los compartimientos, necesaria para detener el flujo de disolvente, recibe el nombre de presión osmótica, π, y para una temperatura determinada depende de la molaridad (M) de la disolución: π = M R T (siendo R la constante de los gases y T la temperatura absoluta). A.14.Calcula los gramos de glucosa que hay en 0,5 L de disolución si, a 25 ºC, presenta una presión osmótica de 2,56 atm. 10