Tema 1 1.1 Terminología 1.2 Factores que afectan la solubilidad 1.3 Clasificación 1.4 Preparación de disoluciones Material preparado por: Lic. Victoria Chan Revisado por: MSc. Lilliana Abarca Bibliografía: Chang, R. Química, Mc Graw Hill, 7ma ed. 2003, México. pp. 8-10, 106, 468-470 Terminología MATERIA: Cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. Es todo lo que nos rodea. SUSTANCIA: Forma de materia que tiene una composición constante, definida y propiedades características. ELEMENTO: Sustancia que no puede separarse en sustancias más simples por métodos químicos. Se han identificado 115 elementos. COMPUESTO: Sustancia formada por átomos de dos o Preparado máspor elementos unidos químicamente en proporciones definidas. 2 Terminología MEZCLA: Combinación de dos o más sustancias en la cual cada una mantiene su identidad (las sustancias conservan sus propiedades características). Son de composición variable. Se pueden separar en sus componentes puros por métodos físicos sin cambiar la identidad de éstos. Pueden ser: sólidas, líquidas o gaseosas. 3
Terminología Se subdividen en: mezcla homogénea y mezcla heterogénea. MEZCLA HOMOGÉNEA: Es uniforme, su composición es la misma en su totalidad. MEZCLA HETEROGÉNEA: Consiste en partes distintas físicamente, cada una con propiedades diferentes. Su composición no es uniforme. 4 Materia Mezclas Separación por métodos físicos Sustancias puras Mezclas homogéneas Mezclas heterogéneas Compuestos Separación por métodos químicos Elementos 5 Terminología DISPERSIÓN: Mezcla formada por dos o más componentes. Compuesta por una fase dispersa y fase dispersante. FASE: Porción físicamente distinta de materia. FASE DISPERSA: Es la fase que se encuentra en menor cantidad de moles con respecto de la totalidad de la mezcla. FASE DISPERSANTE: Es aquella que se encuentra en mayor cantidad de moles con respecto de la totalidad de la mezcla. 6
Terminología DISOLUCIÓN: Mezcla homogénea de dos o más sustancias. Compuesta por soluto y disolvente. El soluto es la sustancia presente en menor cantidad de moles y el disolvente es el que se encuentra en mayor cantidad (en moles) en una disolución. Disolución acuosa: disolución en la que el disolvente es agua. 7 Terminología MISCIBLE: Cuando dos fluídos (líquidos y gases) son solubles entre sí en todas proporciones. INMISCIBLE: Cuando dos líquidos o fluídos no se mezclan. SOLUBLE E INSOLUBLE, son términos más generales y se aplican a cualquier estado de agregación. 8 Terminología SOLUBILIDAD: Máxima cantidad de soluto (en número de moles o de partículas) que puede disolverse en una cantidad determinada de disolvente para obtener una disolución a una temperatura dada. Se considera que una sustancia es insoluble si la cantidad presente es menor de 0,02 moles de soluto por litro de disolvente. 9
PROCESO DE DISOLUCION (sección 12.2 del Chang, 7ma edición, 2003) En los estados líquido y sólido, las moléculas se mantienen unidas por atracciones moleculares. Cuando un soluto se disuelve en un disolvente, las partículas del soluto ocupan posiciones de las moléculas de disolvente. El que una partícula de soluto pueda reemplazar a una de disolvente depende de la fuerza de las interacciones: SOLUTO-SOLUTO S-S DISOLVENTE-DISOLVENTE D-D SOLUTO-DISOLVENTE S-D 10 PROCESO DE DISOLUCION Tomado del Chang,R.Química. 7ma edición,cap.12 Etapa 1 Etapa 2 Disolvente Soluto Etapa 1:Separación de las partículas de disolvente Etapa 2: Separación de las partículas de soluto Etapa 3: Solvatación Etapa 3 H dn = H 1 + H 2 + H 3 El proceso puede ser endotérmico ( H +) o exotérmico ( H -) Las etapas 1 y 2 son endotérmicas (se requiere energía para separar las fuerzas de atracción intermoleculares) Disolución 11 PROCESO DE DISOLUCION Solvatación: Proceso en el cual el soluto (ión o molécula) es rodeado por moléculas de disolvente, distribuidas de una forma específica. Hidratación: Si se usa como disolvente al agua. El proceso de solubilidad se considera un proceso físico si ocurre una solvatación e hidratación y un proceso químico si ocurre una ionización. 12
PROCESO DE DISOLUCION Si la atracción S-D es más fuerte que la atracción S-S ó D-D, el proceso de disolución es favorable o exotérmico ( H dn < 0). Si la atracción S-D es más débil que la atracción S-S ó D-D; el proceso de disolución es endotérmico ( H dn > 0). 13 PROCESO DE DISOLUCION El proceso de disolución está regido por dos factores: a) Energético, determina si el proceso es endotérmico o exotérmico. b) Aleatorio, este factor se refiere a la tendencia natural hacia el desorden o entropía. 14 PROCESO DE DISOLUCION El factor aleatorio justifica el por qué un soluto puede disolverse en un disolvente aún si la atracción entre sus propias partículas es más fuerte que la atracción S- D (proceso de disolución endotérmico). Al mezclar las partículas de soluto y disolvente se produce un aumento en el desorden o entropía. El aumento en el desorden del sistema favorece la solubilidad de una sustancia. 15
PROCESO DE DISOLUCION Por lo general: En un proceso de disolución endotérmico, un aumento de temperatura aumenta la solubilidad de la sustancia en un determinado disolvente. En un proceso exotérmico un aumento de temperatura disminuye la solubilidad. 16 PROCESO DE DISOLUCION Si una sustancia con proceso de disolución endotérmico aumenta su solubilidad al aumentar la temperatura; significa que el factor aleatorio está influyendo más que el energético. Recuerde: El proceso de disolución está acompañado por un aumento de desorden. 17 VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN Depende de: 1. La agitación. 2. El grado de subdivisión. 3. La temperatura. 4. La presión en el caso de los gases. 18
Velocidad de disolución La velocidad de disolución aumenta con: 1. La agitación ya que habrá mayor contacto entre las partículas de soluto y de disolvente. 2. Un aumento en el grado de subdivisión de las partículas sólidas o líquidas (ésta última por aspersión por ej), puesto que se aumenta la superficie de contacto y habrá mayor exposición de partículas S-D. 19 Velocidad de disolución 3. Un aumento de la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas, hay mayor posibilidad de separación de las partículas de S y las de D; se disminuye el tiempo para que se dé el proceso de disolución. 4. Un aumento de presión en sistemas gaseosos, aumenta el contacto de las partículas S-D. 20 FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD 1 Naturaleza de las sustancias. 2 Temperatura. 3 Presión (sólo para sistemas L-G). 21
Factores que afectan la solubilidad NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS repasar capítulos 9,10 y 11 del Chang,R. Química. 7ma ed. i. Tipo de sustancias ii. iii. Polaridad Constante dieléctrica del disolvente 22 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS i. Tipo de sustancias (cap.9 y 20, Chang. R Química ): Iónicas Covalentes Metálicas se clasifican antes de aplicar concepto de fuerzas intermoleculares o interpartículas 23 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS i. Tipo de sustancias Sustancia Enlace Fuerza interpartícula Iónica Iónico Iónicas Metálica Metálico Metálicas Covalente Covalente Dp-Dp Puente de hidrógeno Di-Di Otras fuerzas interpartículas a considerar son: Di-Dp, Dp-Di,Ión-Dp, Ión-Di 24
Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS ii. Polaridad ii. Polaridad: Este concepto se aplica sólo a las sustancias covalentes (moléculas). Fuerzas intermoleculares: son fuerzas de atracción entre las moléculas responsables de las propiedades macroscópicas de la materia (ej; temperatura de ebullición, de congelación). Comprenden las fuerzas Dp-Dp; Di-Di (fuerzas de van der Waals) y la particular puente de hidrógeno. Repasar el concepto en Sección 11.2, Química, Chang. R. Polarizabilidad: Facilidad con se puede distorsionar la densidad electrónica de un átomo o molécula. 25 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS ii. Polaridad Una sustancia se solubiliza en otra si las magnitudes de las fuerzas interpartículas del soluto y del disolvente son semejantes. En este curso no se permite hacer la generalización igual disuelve a igual 26 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS MAGNITUDES DE LAS FUERZAS Tipo de fuerza Energía (kj/mol) Dp-Dp 4 a 25 Di- Di 0,08 a 42 Di-Dp 0,08 a 8,4 Puente de Hidrógeno 8 a 42 Ión molécula 42 a 669 Enlace iónico 603 a 1036 27
Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε) (Longo.F. Química General Universitaria) El proceso de disolución puede interpretarse en términos de fuerzas eléctricas que operan entre las moléculas (compuestos covalentes) que ionizan y los iones (compuestos iónicos). Los disolventes difieren en cuanto a su capacidad para reducir la atracción entre los iones (+) y los (-) del soluto. 28 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε) La atracción de dos iones en el vacío a una determinada distancia se denomina F (fuerza de atracción), pero si hay otra sustancia (el disolvente) en el espacio que separa a estos iones, la F disminuye. F = q 1 * q 2 ε r 2 F: fuerza de atracción entre iones q 1 y q 2 : cargas de los iones r: distancia separación entre las cargas ε : constante dieléctrica del disolvente 29 Factores que afectan la solubilidad 1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε) Correlación entre constante dieléctricapolaridad Por lo general: Los líquidos polares tienen ε altas y los líquidos con ε baja son no polares. 30
Factores que afectan la solubilidad 2 TEMPERATURA (sección 12.4, Química. Chang,R. 2003) La temperatura de la disolución afecta la solubilidad de la mayoría de las sustancias. Como tendencia general si el proceso de disolución es: ENDOTÉRMICO: un aumento de temperatura favorece la solubilidad. EXOTÉRMICO: un aumento de temperatura disminuye la solubilidad. 31 Factores que afectan la solubilidad 2 TEMPERATURA Por lo general (HAY EXCEPCIONES!): Los sólidos presentan procesos de disolución endotérmicos. Los gases presentan procesos de disolución exotérmicos. En el caso de los líquidos es variable. ver material de apoyo del folleto 32 Temperatura y solubilidad En los sólidos, por lo general (HAY EXCEPCIONES!): La solubilidad aumenta al aumentar la temperatura (proceso de disolución endotérmico) Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12 33
Temperatura y solubilidad En los líquidos, por lo general (HAY EXCEPCIONES!): La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura (proceso de disolución endotérmico) Solubilidad Temperatura Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12 34 12.4 Factores que afectan la solubilidad 3 PRESION (sección 12.5, Quimica. Chang.R.2003) La presión sólo afecta a sistemas gas-líquidos. La relación cuantitativa entre la solubilidad de los gases y la presión está dada por la ley de Henry. 35 Factores que afectan la solubilidad 3 PRESION La ley de Henry establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas en la disolución. c = k P c: concentración molar (mol/l) del gas disuelto o solubilidad k: constante de proporcionalidad P: presión (en atm) del gas sobre la disolución bajo P bajo c alto P alto c 36
CLASIFICACION DE LAS DISOLUCIONES Se clasifican por: (ver material de apoyo del Folleto) 1 ESTADO DE AGREGACION: disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas. 2 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA: disoluciones electrolíticas (fuertes y débiles). disoluciones no electrolíticas. 3 CONCENTRACION: diluidas y concentradas. Insaturada, saturada ó sobresaturada. 37 Clasificación de disoluciones 1 ESTADO DE AGREGACION: Está dado por lo general por el disolvente. Se pueden encontrar disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas. Líquida Disolución Sólido Gas Estado de agregación Disolvente Sólido Sólido Líquido Gas Soluto Sólido Líquido Gas Sólido Sólido Líquido Gas Líquido Gas Aire puro Bronce (Cu-Sn), acero (Fe, C, Mn) amalgama (Hg-Ag) H 2 gaseoso en Pd, Pt-O 2 Na-K fundido NaCl en agua, sirope, agua potable, éteriodo Etanol en agua, gasolina Refrescos gaseosos Aire húmedo Ejemplos 38 Clasificación de disoluciones 2 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA : En disoluciones acuosas la conducción de la corriente eléctrica se da por la migración o movimiento de los iones presentes en la disolución. Si no existe la presencia de iones en disolución no se produce la conductividad eléctrica. La conductividad eléctrica de las disoluciones dependerá de presencia y de la libertad de movimiento de los iones. 39
Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica Conforme aumenta la concentración de la disolución, la conductividad no necesariamente aumentará ya que: los iones presentes tienden a unirse en pares iónicos o no pueden moverse libremente por impedimento estérico. La presencia de un par iónico reduce el número de partículas en disolución. La migración neta disminuye al igual que la conductividad eléctrica (ver material de apoyo). 40 Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica La presencia de iones en una disolución electrolítica, se puede dar por los procesos de: Disociación: compuestos iónicos (sales) que entrar en contacto con el agua se separa en sus iones respectivos. Ej: NaCl (s) + H 2 O (l) Na + (ac) + Cl - (ac) Ionización: Compuestos covalentes (moléculas) que en disolución acuosa producen iones. Ej: HCl (ac) + H 2 O (l) Cl - (ac) + H 3 O + (ac) 41 Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica Las disoluciones se clasifican en electrolíticas y no electrolíticas. Disolución electrolítica: es aquella que posee iones en disolución. Conducen la corriente eléctrica y se clasifican en fuertes y débiles, dependiendo de la cantidad de iones presentes en la disolución. 42
Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica Disolución electrolítica fuerte: Puede ser producto de la disociación de una sal o de la ionización de un compuesto covalente en su totalidad. Las sales (se disocian). Acidos y bases fuertes (se ionizan). La intensidad eléctrica es fuerte. 43 Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica Disolución electrolítica débil: Se da en los compuestos covalentes que no ionizan al 100% sino que lo hacen parcialmente. Acidos y bases débiles. Algunos ejemplos: ácido acético, ácido bórico, ácido sulfuroso, amoniaco, trimetilamina, hidroxilamina y metilamina entre otros. La intensidad eléctrica es débil. 44 Clasificación de disoluciones 2 Conductividad eléctrica no electrolíticas: Son disoluciones que no producen iones no conducen la corriente eléctrica. La mayoría de los compuestos covalentes (moléculas) no producen iones en disolución. Ej: azúcares (ej: sacarosa, fructosa, glucosa), urea, los alcoholes, hidrocarburos, hemoglobina entre otros. 45
Clasificación de disoluciones por conductividad eléctrica DISOLUCION CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA TIPOS DE SOLUTO EJEMPLOS Electrolítica fuerte Electrolítica débil Mucha Poca Iónico, algunos covalentes que ionizan casi 100% Algunos covalentes que ionizan parcialmente KCl,CuSO 4,HCl, H 2 SO 4, HNO 3 RCOOH, NH 3, R 3 N, HCN No electrolítica Ninguna Covalentes que no ionizan O 2, C 12 H 22 O 11, N 2, C 6 H 6 46 Cómo determinar si un soluto formará una disolución electrolítica fuerte o débil ó una disolución no electrolítica? El cuadro de constantes de acidez (folleto de práctica) le dará una idea de los ácidos y bases fuertes y débiles. Los ácidos y bases fuertes son disoluciones electrólíticas fuertes (ej: HClO 4, H 2 SO 4, HI, HBr, HNO 3, HCl son ácidos fuertes; NaOH, KOH, LiOH (hidróxidos de los grupos I y II) son bases fuertes. Los ácidos y bases débiles producen disoluciones electrolíticas débiles (ácidos débiles: H 2 SO 3, H 3 PO 4, HNO 2, HF, H 2 CO 3,HClO, HCN entre otros; los ácidos orgánicos como HCOOH, C 6 H 5 COOH, CH 3 COOH; las bases débiles NH 3, HONH 2, H 2 CNNH 2 ) 47 Cómo determinar si un soluto formará una disolución electrolítica fuerte o débil ó una disolución no electrolítica? Las sales (compuestos iónicos) en disolución acuosa producen disoluciones electrolíticas fuertes. Los haluros y cianuros provenientes de metales pesados producen disoluciones electrolíticas débiles, ej: PbI 2. Ver figuras de conductividad eléctricas en el folleto 48
Clasificación de disoluciones 3 CONCENTRACION: Es la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de disolución. Las disoluciones se pueden clasificar como: Diluídas y concentradas. En esta clasificación es necesario tener otra disolución para compararlas. Saturadas, insaturadas y sobresaturadas. 49 Clasificación de disoluciones 3 Por concentración Una disolución concentrada se puede obtener a partir de : Un reactivo puro. Una disolución diluída a la cual se le adiciona más soluto o por evaporación del disolvente (siempre que no haya reacción ni que el soluto se evapore). 50 Clasificación de disoluciones 3 Por concentración Disolución saturada: Es aquella que tiene la máxima cantidad de soluto (en moles o número de partículas) disuelto en una cantidad dada de disolvente a una temperatura específica. Disolución insaturada: Contiene menos cantidad de soluto (en moles o número de partículas) que la que es capaz de disolver. Disolución sobresaturada: Contiene mayor cantidad de soluto que la disolución saturada. CURVAS DE SOLUBILIDAD Ver material del folleto 51
PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES Terminología Disolución Disolución acuosa Disolver: Término que se aplica cuando un sólido se solubiliza en un líquido. Dilución: Procedimiento para preparar una disolución menos concentrada a partir de otra más concentrada. Alícuota: Muestra líquida obtenida de una totalidad mediante la técnica de medición de volúmenes utilizando para ello equipo con baja incertidumbre. 52 FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN Unidades de concentración: Porcentajes: en masa (%m/m), *en volumen (% /v),*masa-volumen (% m/v). *Molaridad: M Molalidad: m Fracción molar: X Partes por millón: ppm *cuando las unidades de concentración conllevan volumen, dependen de la temperatura 53 FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN Las unidades de concentración que dependen de la temperatura son aquellas en la cual se involucra el volumen. El volumen de un cuerpo varía (se expande o se contrae) con la temperatura, no así su masa por lo que a menudo se utiliza ésta. La relación entre la masa y el volumen se da con la densidad, D = masa / volumen 54
FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN Masa disolución = masa soluto + masa disolvente Porcentajes En masa % m/m = masa de soluto (g) x 100 % masa de disolución (g) *En volumen % v/v = volumen de soluto (ml) x 100 % volumen de disolución (ml) *En masa- volumen % m/v = masa de soluto (g) x 100 % volumen de disolución (ml) * Depende de la temperatura 55 FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN *Molaridad (M) M = cantidad de materia soluto (mol) volumen de disolución (l) Molalidad (m) m = cantidad de materia soluto (mol) masa de disolvente (kg) Fracción molar (X) X A = cantidad de materia A (mol) cantidad de materia total ** (mol) * Depende de la temperatura ** se refiere a la disolución 56 FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN Partes por millón: ppm Hay dos formas para expresarlo: ppm = masa de soluto (mg) masa disolución (kg) ó *ppm = masa de soluto (mg) volumen de disolución (l) * Depende de la temperatura ** se refiere a la disolución 57