I. Presentación de la guía: ASIGNATURA: QUIMICA AGROPECUARIA (RB8002) GUÍA N 2: PREPARACION DE DISOLUCIONES Competencia: El alumno será capaz de aplicar los conceptos básicos de concentración y solubilidad en la preparación de disoluciones. Evaluación: La evaluación de esta guía tiene carácter formativo lo que permitirá detectar el dominio de los objetivos planteados. Metodología: El docente organizará grupos de trabajo para desarrollar las actividades propuestas. Posteriormente el alumno confeccionará un informe de los resultados obtenidos que será adjuntado en el portafolio semestral. II. Resumen Teórico: Las disoluciones son mezclas homogéneas formadas por dos o más constituyentes, los que en parte pierden sus propiedades, adquiriendo características propias de la mezcla. Ejemplo, la mezcla de sal común y agua, adquiere un aspecto líquido, de sabor salubre que permanece indefinidamente constante, con un punto de ebullición algo superior al del agua pura (100 C), estable y se presenta en una sola fase. Algunas características de las disoluciones son: Presenta una sola fase tanto a simple vista como con la ayuda de instrumentos ópticos modernos. Tiene composición variable dentro de ciertos rangos (dados por la solubilidad). El soluto se disuelve en forma de iones (solución iónica) o moléculas (solución molecular) en el disolvente. Es transparente, aunque puede ser coloreada. No puede ser separada por métodos mecánicos. Puede ser separada por métodos físicos, por ejemplo la evaporación. Los componentes de una solución se denominan soluto (componente que se disuelve; generalmente se encuentra en menor cantidad) y disolvente (componente que disuelve y se encuentra por lo general en mayor cantidad). Tipos de disoluciones El estado físico de una disolución, lo determina el estado físico del disolvente, por lo tanto, es posible encontrar disoluciones en los tres estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso). Disoluciones sólidas: Tanto el soluto como el disolvente se encuentran al estado sólido. Este tipo de soluciones son de gran importancia práctica y constituyen las aleaciones. Al mezclar dos metales fundidos y luego solidificarse, la disolución (aleación) resultante puede presentar distintas propiedades en comparación a los materiales puros. Por ejemplo, dos metales blandos pueden formar una aleación dura o dos metales muy buenos conductores de la electricidad pueden formar una aleación aislante. Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 1 de 7
Disoluciones líquidas: formadas cuando el estado físico del disolvente es un líquido. El soluto puede presentarse en los tres estados de la materia originando las siguientes disoluciones: - Sólido Líquido: Un soluto sólido disuelto en un disolvente líquido. Ejemplo, yodo disuelto en alcohol, cloruro de sodio disuelto en agua, nitrato de potasio disuelto en agua. - Líquido Líquido: Un soluto líquido disuelto en un disolvente líquido. Ejemplo: alcohol etílico disuelto en agua, gasolina. - Gas Líquido: Un soluto gaseoso disuelto en un disolvente líquido. Ejemplo: disolución acuosa de amoníaco, disolución acuosa de ácido clorhídrico. Disoluciones gaseosas: Se obtienen disolviendo un gas en otro u otros. Los gases se mezclan en cualquier proporción, es decir, son infinitamente solubles. Ejemplo, el aire, oxígeno disuelto en nitrógeno. De todos los tipos de soluciones, las más utilizadas son las disoluciones líquidas. Frecuentemente las disoluciones se nombran de acuerdo al tipo de disolvente utilizado. Si el disolvente utilizado es el agua, las disoluciones son acuosas; si es alcohol, las disoluciones son alcohólicas; si es benceno el solvente, la disolución será bencénica. Solubilidad de las disoluciones Este término se refiere a la cantidad máxima de soluto que se disuelve en una determinada cantidad de disolvente, a una temperatura dada. La solubilidad entonces, es una medida de concentración. Por ejemplo, la solubilidad de una disolución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), a 20 ºC, es de 36 g. de soluto en 100 g de agua (36 g/100 g agua a 20 C). Esto significa que en 100 g de agua, a 20 ºC, la máxima cantidad de cloruro de sodio que se puede disolver es 36 g y la disolución es saturada. En base al criterio de solubilidad es posible distinguir tres tipos de disoluciones: Disolución no saturada: Aquella donde la cantidad de soluto disuelto es inferior a la solubilidad en determinado disolvente. Disolución saturada: Aquella donde la cantidad de soluto disuelto es igual a la solubilidad en dicho disolvente. En este tipo de disoluciones existe un equilibrio dinámico entre soluto disuelto (disolución) y soluto no disuelto. Disolución sobresaturada: Corresponde a la disolución que se prepara disolviendo mayor cantidad de soluto que el determinado por la solubilidad del soluto en determinado disolvente. En este caso existe un equilibrio inestable y cualquier alteración de la disolución provoca la precipitación de la cantidad de soluto en exceso disuelto en el disolvente. Factores que condicionan la solubilidad Como se ha comprobado mediante experiencias cotidianas, hay sustancias muy solubles en agua (azúcar), otras muy poco solubles y otras prácticamente insolubles (aceite), por lo tanto la solubilidad no posee siempre valor fijo o constante sino que depende de ciertos factores que harán de la solubilidad un valor que puede ser aumentado o disminuido según sea el factor modificante y éstos son los siguientes: Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 2 de 7
La Temperatura: este factor solo modifica la solubilidad de solutos sólidos y gaseosos, los líquidos no sufren ninguna alteración en su solubilidad, solo hasta que sean miscibles. En el caso de los sólidos: en general un aumento de la temperatura provocará un aumento de la solubilidad aunque existen casos donde la solubilidad sufre una pequeña variación e incluso casos donde al aumentar la temperatura la solubilidad disminuye. En el caso de los gases: un aumento de la temperatura produce siempre una disminución de la solubilidad y viceversa. Si se coloca en un recipiente una pequeña cantidad de bebida gaseosa, al ser calentada, se observa inmediatamente una efervescencia derivada del escape de gas (dióxido de carbono) de la disolución. Si se calienta agua, esta pierde el aire disuelto en ella. La Presión: Este factor no produce alteración alguna en las solubilidades de sólidos y líquidos. La presión modifica considerablemente la solubilidad de un gas y actúa de la siguiente forma: Un aumento de la presión producirá siempre un aumento de la solubilidad del gas y viceversa, siempre que la temperatura permanezca constante (la temperatura también modifica la solubilidad de un gas. Esta mitificación se conoce con términos matemáticos como ley de Henry que dice: La solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión del gas sobre la superficie del líquido a temperatura constante. Esto se puede comprobar fácilmente con la siguiente experiencia: Las bebidas y el champagne, contienen un gas disuelto (dióxido de carbono) a una alta presión, sobre todo el champagne, de ahí que al abrirlos se produzca una disminución de la presión y el gas escapa violentamente de la disolución. Esto se puede evitar un cierto grado enfriando. Naturaleza Química del Soluto y el Solvente: Una sustancia podrá ser muy soluble en un determinado solvente, pero esto no permite asegurar que lo sea en otros solventes, para ejemplificar lo dicho, hay que observar la solubilidad del azúcar y el yodo (en g/100g de solvente a 20ºC), utilizando como solventes agua y alcohol. Disolvente Azúcar Yodo Agua 179 0.03 Alcohol 0.9 20.5 Se puede observar claramente que el azúcar es muy soluble en agua pero poco soluble en alcohol, a su vez el yodo es muy poco soluble en agua pero muy soluble en alcohol. En realidad la Naturaleza Química tiene que ver con el tipo de Unión o Enlace Químico que posee el soluto y el disolvente, esto se puede resumir en la siguiente frase: Lo semejante disuelve a lo semejante Expresiones de concentración para las disoluciones La concentración de una disolución corresponde a la cantidad de soluto presente en una cantidad de disolvente o disolución. Una forma de expresar la concentración relativa de una disolución en forma cualitativa es usando los términos diluido y concentrado. Una disolución diluida tiene una pequeña cantidad del soluto disuelta y otra con mayor cantidad de soluto se dice que es concentrada. Cuantitativamente, la concentración de una solución se puede expresar en diversas unidades de concentración, las que pueden ser físicas o químicas. Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 3 de 7
Unidades físicas de concentración de disoluciones: Porcentaje en peso (% p/p): Se define como la masa de soluto (en gramos) disuelta en 100 gramos de disolución. Se calcula por medio de la fórmula: gsoluto %p/p = 100 gdedisolución También se cumple que: gdisolución = gsoluto + gdis olvente Si la concentración de una disolución presenta solamente el símbolo de %, se considera que es porcentaje en peso-peso. Porcentaje peso- volumen (% p/v): Corresponde a la masa de soluto (en gramos), disuelta en 100 ml de disolución. Se determina por la fórmula: gsoluto %p/v= 100 ml dedisolución Porcentaje volumen volumen (% v/v): Se refiere al volumen de soluto (en ml), disuelto en 100 ml de disolución. Se calcula por la fórmula: mlsoluto %v/v= 100 mldedisolución Partes por millón (ppm): Puede ser interpretada como los gramos de soluto en un millón de gramos de disolución. Se trata de soluciones muy diluidas, por lo tanto, el peso de soluto no hace variar la densidad de la disolución. Así por ejemplo una disolución que tenga 1,0 ppm de ión Cu 2+, significa que en un litro de disolución hay disueltos 1 mg de Cu 2+. Unidades químicas de concentración de disoluciones: Molaridad (M): Se define como el número de moles (n) de soluto disuelto en un litro de disolución. Matemáticamente se expresa como: gdesoluto M= PMdelsoluto V (L) disolución Normalidad (N): Esta expresión corresponde al número de equivalentes de solutos disueltos en un litro de disolución. Matemáticamente se expresa por la fórmula: gdesoluto N= PEdelsoluto V (L) disolución Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 4 de 7
Molalidad (m): Se define, como el número de moles (n) disueltos en 1000 g de disolvente. Se puede determinar por la formula: gdesoluto m= PM kgdedisolvente Dilución de disoluciones Diluir significa agregar más disolvente (agua si la disolución es acuosa). V 1 C 1 = V 2 C 2 Si la concentración está expresada en molaridad, entonces, la relación se escribe: V 1 M 1 = V 2 M 2 (Los subíndices 1 y 2 sirven para diferenciar las disoluciones e indicar cuál es la disolución concentrada y cuál es la diluida). III. IV. Actividad práctica: Preparación de disoluciones de cloruro de sodio. Objetivos: Reconocer los conceptos básicos de las disoluciones. Preparar disoluciones en unidades de concentración físicas y químicas. Evaluar el efecto de algunas condiciones experimentales sobre la solubilidad. V. Materiales y reactivos: Vasos de precipitado de 250 ml Varilla de agitación Matraz de aforo de 50 y 100 ml Vidrio de reloj Embudo analítico Piscetas plásticas de 500 ml Balanza analítica o semianalitica Probeta de 100 ml Agua desionizada Cloruro de sodio, NaCl. Plancha calefactora Papel adhesivo para rotular Frascos plásticos de 250 ml con tapa. Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 5 de 7
VI. Procedimiento experimental Experiencia N 1: Preparación de disoluciones a partir de un soluto sólido. A) Prepare 50 g de disolución de cloruro de sodio al 5,0 % p/p. - Pesar los gramos de cloruro de sodio en un vaso de precipitado de 250 ml - Medir en una probeta el volumen de agua destilada necesaria y transferir directamente al vaso de precipitado que contiene el cloruro de sodio sólido. - Agitar con una varilla de agitación de vidrio, hasta disolución total del sólido. - Envasar y rotular la disolución preparada (Nombre del preparador, fecha, concentración y tipo de disolución). B) Prepare 250 ml de disolución de cloruro de sodio al 2,0 % p/v. - Pesar los gramos de cloruro de sodio en un vaso de precipitado de 250 ml - Medir en una probeta el volumen de agua destilada necesaria y transferir directamente al vaso de precipitado que contiene el cloruro de sodio sólido. - Agitar con una varilla de agitación de vidrio, hasta disolución total del sólido. - Envasar y rotular la disolución preparada (Nombre del preparador, fecha, concentración y tipo de disolución). C) Prepare 50 ml de disolución de cloruro de sodio 0,1 molar (0,1 M). - Pesar los gramos de cloruro de sodio en un vaso de precipitado de 250 ml - Adicionar con una pisceta una cantidad de agua destilada para disolver. Importante: El agua para disolver y aguaje en esta primera etapa no debe superar los 30 ml. - Agitar con una varilla de agitación de vidrio, hasta disolución total del sólido. - Transferir el contenido del vaso con la ayuda de un embudo analítico al matraz de aforo de 50 ml. - Agregar agua destilada al matraz hasta completar el aforo y agitar para homogenizar. - Envasar y rotular la disolución preparada (Nombre del preparador, fecha, concentración y tipo de disolución). D) Prepare 50 ml de disolución de cloruro de sodio 0,05 molar (0,05 M) a partir de la disolución preparada en el punto C. (Dilución) - Tomar una alícuota de 25 ml de la disolución preparada en C, con una pipeta volumétrica con ayuda de una propipeta. - Adicionar los 25 ml en un matraz de aforo de 25 ml a través de un embudo analítico. - Finalmente adicione agua destilada hasta completar la marca del aforo y agitar para homogenizar. E) Efecto de la temperatura en la solubilidad de cloruro de sodio - Pesar en un vaso de precipitado 10 g de cloruro de sodio, NaCl. - Adicionar 10 ml de agua destilada al vaso. Agitar para disolver. Si el compuesto no se disuelve a temperatura ambiente, calentar todo el sistema en una plancha calefactora. - Observar el efecto de la temperatura en la solubilidad del compuesto sólido. VII. Cálculos: Debe desarrollar los cálculos para determinar en cada una de las experiencias la cantidad de soluto necesaria para la preparación de las disoluciones respectivas. Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 6 de 7
VIII. Resultados Registrar los datos obtenidos durante el procedimiento experimental en la siguiente tabla. Experiencia práctica A B C Cantidad de Cloruro de sodio, NaCl IX. Post-Laboratorio: - Redactar un informe de los resultados obtenidos según pauta de evaluación de informes que aparece en la guía para el éxito académico 2009. Universidad tecnológica de Chile- Inacap. Sede la Serena. Pagina 54. Problemas: 1. Como prepararía 1000 g de una disolución de salitre potásico al 15 % p/p? 2. Como prepararía 0.2 m 3 de una disolución de sulfato de potasio, K 2 SO 4 0,3 M? 3. Como prepararía 30 L de una disolución de Urea al 10 %p/v? 4. Como prepararía 5 L de una disolución de Superfosfato triple (SFT) al 20 %p/p? X. Bibliografía Química Ciencia Central, Brown, LwMay Bursten, Novena Edición. Editorial Pearson 2004. Química General, Raymond Chang, séptima edición. Editorial Mc Graw Hill 2002. Fundamentos de Química General, Segunda edición. Editorial Mc Graw Hill 1991. Preparación de disoluciones (RB8002). Documento preparado por Marcela Urrutia Castro. Docente Sede La Serena. Página 7 de 7