6. DISOLUCIONES 6.1. Generalidades Se entiende por disolución toda mezcla homogénea de dos o más componentes en proporción variable. Las disoluciones objeto de nuestro estudio serán binarias, en las que un cuerpo (soluto) se dispersa de una manera homogénea en el seno de otro componente (disolvente). Estas disoluciones binarias se pueden presentar en los siguientes tipos, según el estado de la materia de soluto y disolvente: Estado del soluto Sólido en Líquido en Gas en Estado del Estado resultante de la disolvente disolución Ejemplo Líquido Líquido NaCl en agua; agua de mar. Sólido Sólido Oro de 18 kilates (Cu y Au). Gas Gaseoso Polvo en aire. Líquido Líquido Alcohol comercial (etanol y agua). Sólido Sólido Hg y Cu (amalgama). Gas Gaseoso Aire húmedo, niebla. Líquido Líquido Amoníaco comercial (NH 3 en agua). Sólido Sólido Hidrógeno en platino. Gas Gaseoso Aire. 6.2. Formas de expresar la concentración La concentración de una disolución viene dada por la proporción entre sus componentes (soluto y disolvente) o entre el soluto y la disolución. Esta relación se puede establecer desde el punto de vista cualitativo o cuantitativo y, dentro de esto último tomar como base de referencia la masa o el volumen. Las diversas formas de expresión las esquematizamos en el siguiente cuadro: Formas de expresar la concentración de las disoluciones cualitativamente cuantitativamente Diluida Concentrada Saturada Sobresaturada Referido a masa Referido a volumen % en peso Fracción molar (χ) molalidad (m) % en volumen Gramos/Litros (g/l) Molaridad (M) Normalidad (N)
6.2.1. De forma cualitativa Disolución diluida: Cuando la cantidad de soluto disuelta es pequeña en relación con la cantidad de disolvente. Disolución concentrada: Disolución que contiene gran cantidad de soluto respecto a la de disolvente, sin llegar al límite de saturación. Disolución saturada: Cuando el disolvente no admite ya más cantidad de soluto, a esa temperatura. Disolución sobresaturada: Es aquella que contiene más sustancia disuelta que la que le correspondería en relación a la temperatura. Por evaporación o adición de cristales de soluto, puede producirse una cristalización, debido al exceso de soluto. 6.2.2. De forma cuantitativa Para la mejor comprensión de los conceptos, lo haremos con un ejemplo: Se disuelven 5 g de HCl en 35 g de agua. Sabiendo que la densidad de la disolución es de 1,060 kg/dm 3, calcular la concentración de la disolución en las diversas formas de expresarla. En primer lugar anotamos los datos distinguiendo los que se refieran al soluto (s), disolvente (d) y disolución (D): soluto (HCl) : m s 5 g disolvente (H 2 O) : m d 35 g DISOLUCIÓN : m D 40 g ; d D 1,060 kg/dm 3 Tanto por ciento en peso (% en peso): Es la masa de sustancia disuelta (gramos de soluto) por cada 100 g de disolución. Si establecemos la proporción masa de soluto (m s ) % peso masa de soluto (m s ) ; % peso masa Disolución (m D ) 100 masa Disolución (m D ) X 100 En este ejemplo: 5 g de soluto % peso 5 g de soluto ; % peso X 100 12,5 40 g Disolución 100 40 g Disolución La concentración es del 12,5 % en peso Fracción molar del soluto (χ s ): Es la proporción entre los moles de soluto (n s ) y los moles de disolución (n D n s + n d ). Un concepto similar, sería la fracción molar del disolvente χ d ( n d /n D ).
El cálculo es simple: χ s nº de moles de Disolución (ns + n d ) Para ello, deberemos conocer o calcular los moles de soluto y disolvente: 5 g n HCl 0,14 36,5 g/mol 0,14 35 g χ s 2,08 0,067 n H2O 1,94 18 g/mol moles totales Disolución (n HCl + n H2O ) 2,08 La concentración es: χ s 0,067 molalidad (m): Es la proporción entre los moles de soluto y los kg de disolvente m Kg de disolvente En nuestro caso tenemos 0,14 moles de HCl (según acabamos de calcular) y 35 g de agua (disolvente) que son 0,035 kg de H 2 O. Por tanto la molalidad será: 0,14 moles de soluto (HCl) m 0,035 kg de disolvente (H2 O) 4 La concentración es 4 m Tanto por ciento en volumen (% en volumen): Referido a conjuntos líquidos, se define como los cm 3 de soluto contenidos en cada 100 cm 3 de disolución. Se trata del mismo concepto que el porcentaje en peso y sería la proporción referida a 100 cm 3 de disolución. Para disoluciones muy diluidas se puede considerar como el número de gramos de soluto por cada 100 cm 3 de disolución. Gramos / Litros (g/l): Son los gramos de soluto disueltos por cada litro de disolución. Por el enunciado del ejercicio no sabemos el volumen de disolución concreto que tenemos, pero si aplicamos el concepto de densidad podremos afirmar que cada litro de disolución tiene una masa de 1,060 kg (d Disolución 1,060 kg/dm 3 ). Para calcular la masa de soluto en 1 L de disolución sabiendo que m Disolución 1060 g utilizaremos el concepto de % en peso (hemos calculado antes que es el 12,5 %) que relaciona a ambas masas. Tenemos 12,5 g de soluto en Habrá x en Cada 100 g de Disolución 1060 g de Disolución 12,5 g HCl 1060 g Disolución x 132,5 g de HCl 100 g Disolución Como estos cálculos son para 1 L, diremos que La concentración es 132,5 g/l
Molaridad: Es la proporción del número de moles de soluto (n s ) por cada litro de disolución. M en cada Litro Disolución En nuestro caso, acabamos de calcular que en un litro de disolución hay 132,5 g de soluto (HCl), por lo que si calculamos el número de moles de soluto obtendremos la Molaridad. n s masa de soluto (en gramos) Masa molecular del soluto 132,5 g de HCl n HCl 36,5 g/mol de HCl 3,63 moles de HCl M 3,63 moles de HCl 1 L de Disolución 3,63 moles/l La concentración es 3,63 M Normalidad: Es la proporción del número de equivalentes de soluto nº eq por cada litro de disolución. Es un concepto equivalente al de Molaridad sólo que referido a los equivalentes N nº de equivalentes de soluto (n eq ) en cada Litro Disolución masa de soluto (en gramos) Masa molecular nº eq(soluto) P Peso equivalente del soluto eq valencia Sustancia La valencia viene dada por Ácidos Nº de hidrógenos Hidróxidos Nº de grupos OH Sales Subíndice del metal multiplicado por su estado de oxidación P eq 36,5 g/mol 1 eq/mol 36,5 g/eq nº eq(soluto) 132,5 g de HCl 36,5 g/eq 3,63 eq N 3,65 eq de HCl 1 L de Disolución 36,5 eq/l La concentración es 3,63 N Quiere esto decir que la Normalidad tendrá siempre el mismo valor que la Molaridad? Evidentemente que no, aunque en este caso sea así porque la valencia es uno y se puede demostrar que la relación entre Molaridad y Normalidad es: M valencia N