UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA INGENIERIA QUIMICA- ALIMENTOS DISOLUCIONES Niebla Industrialicemos nuestras materias primas, Trabajemos hoy por una Bolivia mejor EGR. ALFREDO LUIS ROJAS B. AUX. LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL
Contenido 1 DISOLUCIONES 3 1.1 Tipo de disoluciones 4 1. El proceso de disolución 5 UNIDADES DE CONCENTRACIÓN 6 3 SOLUBILIDAD 10 3.1 Factores que afectan la solubilidad 10 3.1.1 Interacción soluto-disolvente 10 3.1. Efecto de la presión 10 3.1.3 Efecto de la temperatura 11 3. Solubilidad ilimitada 13 3.3 Solubilidad limitada 14 4 PROPIEDADES COLIGATIVAS 16 4.1 Abatimiento de la presión 16 4. Elevación del punto de ebullición 17 4.3 Abatimiento del punto de congelación 19 4.4 Presión osmótica 19 5 APLICACIONES INDUSTRIALES 1 Sus objetivos al estudiar este capitulo serán ser capaz de: Definición y estudio de las disoluciones Mostrar las unidades de concentración en la aplicación física y química Ver los factores que afectan a la solubilidad Descripción de las propiedades coligativas Mostrar la aplicación de las disoluciones en la industria
3 Las mezclas constituyen sistemas formados por dos o más especies que no reaccionan químicamente entre sí. Estos materiales pueden ser homogéneos, cuando óptimamente presentan una sola fase, y una distribución regular de sus propiedades físicas y químicas y heterogéneos cuando presentan dos o más fases y una distribución irregular de sus propiedades. La fase de un sistema, es la porción homogénea que se puede separarse mecánicamente, es decir, mediante el uso de algunos de los procesos que se mencionan a continuación: tamización, decantación, imantación, filtración, centrifugación. Son mezclas homogéneas, agua con azúcar; cloroformo con éter etílico, alcohol etílico con bencina, etc. Son mezclas heterogéneas: azufre con agua, almidón con alcohol, kerosén y agua. 1 DISOLUCIONES Las disoluciones son materiales homogéneos formados por dos o más especies químicas que no reaccionan entre sí; cuyos componentes se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites. Toda disolución está formada por una fase dispersa llamada soluto y un medio dispersante denominado disolvente. Una disolución puede estar formada por uno o más soluto y uno o más disolventes. Pero en este tema nos referiremos a las soluciones binarias, es decir, aquellas que están constituidas solo por un soluto y un disolvente. En una solución puede ocurrir cualquiera de los siguientes puntos Un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red pertenecientes a la estructura de la fase. Los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura. El soluto no modifica la estructura del solvente.
4 1.1 Tipo de disoluciones Las disoluciones las podemos clasificar según los componentes que las forman, y el estado en que se encuentran: Las disoluciones más frecuentes que nos encontramos en la naturaleza son aquellas que tienen el soluto sólido, y el disolvente líquido; pero también son importantes aquellas en las que soluto y disolvente son líquidos, y las que el soluto es gas y el disolvente es líquido. En las disoluciones líquido-líquido, los dos líquidos han de ser totalmente miscibles, por ejemplo el agua y alcohol. Disolvente Soluto Gas Ejemplos Aire Gas Líquido Niebla Sólido Gas Bebidas carbónicas Humo Líquido Líquido alcohol 96º Sólido leche y cola cacao Sólido Gas Líquido Metal con burbujas Amalgamas (Hg y metal) Sólido Aleaciones: Bronce (Cu+Sn), Acero (C+ Fe)
5 Las disoluciones también las podemos clasificar en función de la proporción relativa de soluto y disolvente así: Diluida es aquélla en la que la proporción de soluto respecto a la de disolvente es muy pequeña Disolución Concentrada es aquélla en la que l a proporción de soluto respecto al disolvente es alta. Soluto Disolvente Solucion Diluida Solucion Concentrada Disolución Saturada es la que no admite más cantidad de soluto sin variar la de disolvente. 1. El proceso de disolución La facilidad del proceso de disolución depende de dos factores: El cambio de energía (exotermicidad o endotermicidad). El cambio de desorden (denominado cambio de entropía). Las principales interacciones que afectan la disolución d e un soluto en disolvente son: atracciones soluto-soluto. atracciones disolvente-disolvente. atracciones disolvente-soluto. Es preciso vencer las atracciones inter-moleculares o Ínter-iónicas entre las partículas de soluto en el soluto puro (paso a ) para que se disuelva. Esta parte del proceso requiere consumo de energía. Las separación de las moléculas de disolvente una de la otra (paso b) para que haya lugar para las partículas de soluto, también consume energía. Sin embargo, cuando las
6 partículas de soluto y las moléculas de disolvente interaccionan en la solución (paso c ), se libera energía. El proceso d e disolución es exotérmica ( se favorece ) cuando la cantidad de calor que libera del paso c. Es endotérmica ( y no se ve favorecida ) cuando la cantidad de calor que se libera en el paso c. Sin embargo, muchos sólidos se disuelven en líquidos por procesos endotérmicos. La razón de que estos procesos se produzcan es que la endotermicidad es contrarrestada por un mayor incremento en el desorden de soluto que acompaña al proceso de disolución. Casi todos los procesos de disolución están acompañados de un incremento de desorden tanto en el disolvente como en el soluto. Por tanto, este factor de desorden suele ser favorable a la solubilidad. UNIDADES DE CONCENTRACIÓN Entre las unidades físicas se maneja porcentaje en peso, porcentaje en volumen, gramos por unidad de volumen, en términos de densidad y entre las unidades químicas tenemos las siguientes: Fracción molar (X) X Soluto n soluto n soluto + n disolvente X disolvente n n soluto disolvente + n disolvente Donde: n moles n soluto disolvente de soluto moles de disolvente Ejemplo Una disolución liquida contiene 11.5 gramos de una proteína,.5 gramos de KCl y 985.8 gramos de agua. El peso molecular promedio de la proteína es de 55000g/mol. Calcule la fracción mol de cada componente de la disolución.
11.5 moles de proteina.19*10 55000.7 moles de KCl 3.6*10 74.557 985.8 mnoles de agua 54.766 18 5 7 X P X KCl X H 5.19*10 5 54.766 +.19*10 + 3.6*10 3.6*10 5 54.766 +.19*10 + 3.6*10 54.7666 5 54.766 +.19*10 + 3.6*10 O 0.0000003 0.0006605 0.999339 Molaridad (M) Es la unidad mas usadas en el laboratorio y se define como: M moles soluto litro de solucion Ejemplo Se tiene un 5 litros de β tuyona proveniente del extracto de ajenjo. Tiene como masa 8 gramos ( Peso molecular 139 g/mol ). Determiné la molaridad de este extracto activo moles soluto Ejemplo 8 139 0.057 0.057 mol M 0.0115 mol / L 5 litros Se tiene un ácido clorhídrico en el laboratorio con una densidad de 1.18 g/ml y una pureza de 36.9 % Determine la contracción de este ácido. 36.9 ghcl 100 g solucion 1.18 * g solucion 1ml 1mol * 36.5 HCl g HCl 1000 ml * 1L 11.9 M
8 Normalidad N Numero de equivalentes del Litro de solucion soluto Ejemplo Se desea preparar 50ml de una solución 5 N de H SO 4 a partir de una solución de densidad 1,01 g/ml y 85 % de pureza ( no es un ácido proanálisis). Determine la cantidad de ácido necesario. Determinaremos la concentración del ácido expresando en normalidad se tiene 85 100 g H SO4 g solucion 1.01 * g solucion 1mol H SO * 1ml 98 g H SO 4 4 equivalentes H SO * 1mol H SO 4 4 1000 ml * 1L 17.5 N Aplicando la siguiente relación C 1 V 1 C V C 1 17.5 N V 1? C 5 N V 50 ml Ejemplo Para determinar la concentración de ácido acético en un vinagre, se obtienen 150 cm 3 del mismo, se añaden unas gotas de indicador de fenolftaleina y se titula esta solución con soda cáustica 1 N. El cambio de color se produce después de usar 75 cm 3 de la solución cáustica. Cuál es la concentración del ácido acético expresado en normalidad? 5 N * 50 ml V1 71. 34 ml 17.5 N NaOH + CH COOH CH COONa + H O Gramos de acido acetico en el vinagre gramos mol 3 de acido acetico gramos mol de sosa g acido acetico g mol de acido acetico* PM acido 3
9 Gramos mol de sosa utilizada gmol sosa 1 (gmol/l)*(0.75l) 0.075 g/mol 0.075*1000 Normalidad 0. 5 N 150 Molalidad ( m ) molalidad numero de moles de soluto numero de Ki log ramos de disolvente Ejemplo Cuál es la molalidad de una solución que contiene 18 gramos de CH 3 OH en 108 gramos de agua? Ejemplo Cuántos gramos de H O deben usarse para disolver 50 gramos de sacarosa si se desea preparar una solución de sacarosa C 1 H O 11 1.5 m?? moles C 1 H? moles CH OH 18 g CH3OH 1mol CH3OH * Kg H O 0.108 Kg H O 3 g CH OH O 11 50 g C 3 1mol C * 34 g C numero de moles C1H O molalidad de la solucion numero de Kg H O 1 H numero de moles C1H O numero de Ki log ramos H O molalidad de la solucion O 11 1 1 H H 0.146 moles C1H 1.5 m O O O 11 11 11 11 0.146 moles C H O ; reordenando se obtiene Resumen de las unidades de concentración 3 11 37 mol / Kg 0.117 Kg H O 117 g H O 1 11
10 Sistema Notación Base Aplicación Tanto por ciento % Partes por 100 (p/p,p/v, V/P,V/V) General Molaridad M Moles de soluto por litro de solución Formalidad F Peso formula de soluto por litro de solución Normalidad N Equivalente de soluto por litro de solución Molalidad M Moles de soluto por 1000 g de disolvente Fracción Molar X Moles de componente por total de moles Química Química Química Física Química y Física 3 SOLUBILIDAD Es la cantidad máxima de una sustancia que se disuelve en un acierta cantidad de solvente. 3.1 Factores que afectan la solubilidad 3.1.1 Interacción soluto-disolvente La solubilidad se incrementa al aumentar el peso molecular. Cuando se efectúa alguna reacción química entre el gas y el disolvente se observa solubilidad mucho mayor Los líquidos polares tienden a disolverse fácilmente en los disolventes polares ejemplo la cetona se disuelve en agua. Los pares de líquido que se mezclan en todas las proporciones se dice que son miscible, los que no se mezclan son inmiscibles. ( miscible el etanol y agua ; inmiscible aceite y agua) Las sustancias con fuerzas de atracción similares tiende a ser solubles unas de las otras. Lo semejante disuelve a los semejante así las sustancias polares son solubles en disolventes polares. 3.1. Efecto de la presión
11 La solubilidad de un gas en cualquier disolvente aumenta a medida que se incrementa la presión del gas sobre el disolvente. La solubilidad de los sólidos y los líquidos no se ven afectados notablemente con la presión. La ley de Herry se aplica a gases que no reaccionan con el disolvente en el cual s encuentran (o en algunos casos gases que reaccionan en forma incompleta). Suele iniciarse como sigue: la presión de un gas por encima de la superficie de las soluciones es proporcional a la concentración del gas en la solución. La ley de Henry se representa simbólicamente así P gas kcgas en donde P gas es la presión de gas por encima de la solución y k es una constante para un gas y un disolvente determinado a una temperatura dada. C gas representa la concentración de gas disuelto. Aumento de presión La solubilidad de un gas que no reacciona totalmente con el disolvente, se eleva al aumentar la presión del gas por encima de la solución 3.1.3 Efecto de la temperatura Generalmente un aumento de temperatura facilita el proceso de disolución de un soluto. Lo que se explica por los siguientes hechos: a) El calor suministrado al sistema aumenta la velocidad de difusión de las partículas del soluto en el seno del solvente.
1 b) El calor suministrado es absorbido por las moléculas del soluto, debilitándose las fuerzas intermoleculares y facilitándose el proceso de solvatación. Si embargo, existen casos en donde un aumento de temperatura disminuye la solubilidad, como el caso del Ce (SO 4 ) 3 el cual su solubilidad en agua a O ºC es de 39,5 % mientras que a 100 C es de,5 %. Existe otro caso como el del NaCl el cual una variación de temperatura no altera, apreciablemente la solubilidad. Otro caso muy particular es el Na S0 4 el cual al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad hasta alcanzar un máximo, a partir de allí un incremento de temperatura, disminuye la solubilidad. Este comportamiento se debe a que a cierta temperatura los cristales de la sal se hidratan provocando un descenso en la solubilidad. La influencia de la temperatura en la solubilidad de las sustancias, para algunas sustancias se han recogidos datos experimentales que han permitido construir la gráfica de solubilidad en función de la temperatura. En la gráfica se encuentra la relación soluto - solvente para una disolución saturada a la temperatura en consideración. Ej. la sustancia D, forma una disolución saturada a 0 ºC cuando 5g de ella están disueltos en 100g del solvente.
13 Solubilidad en gramos CURVA DE SOLUBILIDAD 100 A C 90 80 70 60 E B 50 D 40 30 F 0 10 10 0 30 40 50 60 70 80 90 100 TEMPERATURA (ºC) En los gases se puede decir que la solubilidad se ve favorecida cuando al temperatura disminuye. 3. Solubilidad ilimitada Suponga que se inicia con un vaso de agua y uno de alcohol. El agua es una fase y el alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se producirá una fase. El vaso contendrá una solución de agua y alcohol, con estructura, propiedades y composición únicas. El agua y el alcohol son solubles entre sí. Además, tienen una solubilidad ilimitada: independientemente de la relación de agua y alcohol, al mezclarlos sólo se produce una fase. De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de níquel líquido, sólo se obtendrá una sola fase líquida. La aleación de líquido
14 tendrá la misma composición, propiedades y estructura en todas partes (Figura), porque el níquel y el cobre tienen solubilidad líquida ilimitada. Si la aleación líquida cobre-níquel se solidifica y se enfría a temperatura ambiente, sólo se produce una fase sólida. Después de la solidificación, los átomos de cobre y de níquel no se separan, sino que, en vez de ello, se localizan de manera aleatoria en los puntos de la red CCaC. En el interior de la fase sólida, la estructura, propiedades y composición son uniformes y no existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel. Por tanto, el cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es una solución sólida. Una solución sólida no es una mezcla. Las mezclas contienen más de un tipo de fase y sus componentes conservan sus propiedades individuales. Los componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro y no retienen sus características propias. 3.3 Solubilidad limitada Cuando se agrega una pequeña cantidad de Azúcar (primera fase) a un vaso con agua (una segunda fase) y se revuelve, el Azúcar se disuelve totalmente en el agua. Se obtendrá sólo una fase: agua azucarada. Sin embargo, si al agua se le agrega demasiada Azúcar, el exceso se hundirá en el fondo del vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con azúcar, más la sólida excedente: el Azúcar tiene solubilidad limitada en el agua.
15 Figura: Muestra la limitación que tiene disolver azúcar en agua. En la figura a continuación, se muestra como disminuye la temperatura de solidificación del agua, al aumentar la cantidad de sal hasta un 3,3%, Esto se usa para evitar el hielo en los pavimentos. Se puede apreciar que la zona del gráfico sobre 0 ºC es similar al gráfico de agua y azúcar. Figura: Muestra diagrame de fase de la solución agua y sal
16 4 PROPIEDADES COLIGATIVAS Cuando se disuelven un soluto en solvente líquido las propiedades de la solución que se forma son diferentes a las propiedades del solvente. Las propiedades físicas de las soluciones que dependen del número, pero no del tipo de partículas de soluto en una cantidad dada de disolvente se denomina propiedades coligativas. Las cuales son: Abatimiento a la presión Elevación del punto de ebullición Abatimiento del punto de fusión Presión osmótica 4.1 Abatimiento de la presión La presión de vapor de las soluciones, cuando se disuelve un soluto no volátil y no electrolito en un solvente líquido la presión de vapor del disolvente en la disolución disminuye. Este abatimiento es una propiedad coligativa que esta en función del número, y no del tipo de partículas de soluto en la solución. Se insiste que en las soluciones de gases o líquidos de bajo punto de ebullición (volátiles) tienen presiones de vapor mas alta que el disolvente puro; por tanto este análisis no es aplicable a ellas. Agua de azúcar Esta presión es menor sobre la solución de azúcar y agua, porque hay menos moléculas de agua por unidad de área de superficie al evaporarse.
17 La presión de vapor sobre el disolvente en una solución ideal disminuye al reducir la fracción molar. P X * P disolvente disolvente o disolvente donde X disolvente representa la fracción molar del disolvente en la disolución P o es la presión de vapor de disolvente puro. Ejemplo Se tiene azúcar invertida en polvo, un soluto no volátil el cual se disuelve con 117 gramos de agua. Determine el abatimiento de la presión de vapor a 5 ºC de una solución de azúcar 1.5 m, la presión de vapor del agua pura a 5 ºC es d e 3.8 torr. 1 Kg H O moles soluto Moles de soluto 117 g H O * *1.5 0.146 moles de soluto 1000 g H O Kg de H O 1mol H O Moles de disolvente 117 g H O * 6.50 moles H O 18 g H O X soluto X X 0.146 0.00 0.146 + 6.50 soluto disolvente + X disolvente 0.0 1 P disolvente 0.0* 3.8 torr 0. 54 torr 4. Elevación del punto de ebullición Según la ley de Raoult, la elevación del punto de ebullición de un disolvente ocasionada por la presencia de un soluto no volátil y no ionizado es proporcional al número de moles de soluto disueltas en una masa determinada de disolvente. T b Donde T b representa la elevación del punto de ebullición del disolvente; la m es la molalidad del soluto y K b es la constante de proporcionalidad que se llama constante molal de elevación del punto de ebullición. K b m
18 H O pura 1 mol de Glucosa en 1 Kg de H O Disolvente Punto de Ebullición K b ( ºC/m) Punto de Fusión K f (ºC/m) Agua 100 0.51 0 1.86 Benceno 80.1.53 5.48 5.1 Ácido acético 118.1 3.07 16.6 3.90 Nitrobenceno 10.88 5.4 5.7 7.00 Fenol 1.8 3.56 43 7.40 Ejemplo Se tiene un extracto acuoso medicinal de 1.5 m. Determine el punto de ebullición normal? Tomaremos como disolvente al agua por ser acuoso K b 0.51 ºC/m así: º C T b 0.51 *1.5 molal 0.640 º C molal El punto de ebullición normal del agua pura exactamente de 100 ºC, de manera que a un atmósfera de esta solución alcanza la ebullición 100 ºC + 0.640 ºC 100.640 ºC
19 4.3 Abatimiento del punto de congelación Las moléculas de la mayoría de los líquidos se acercan mas entre si cuando la temperatura desciende. Las moléculas en una solución están ligeramente mas separadas entre si, que en un disolvente puro. En consecuencia la temperatura de la solución debe abatirse por debajo del punto del punto de congelación del disolvente puro para congelar. Tc K c * m Ejemplo Que cantidad de NaCl se debe de añadir a 500 ml de agua, para que la temperatura descienda a 15 ºC. El Kc para el agua es de 1.86 ºC T m K c c 15 8.06 moles NaCl / Kg de agua 1.86 Asumiendo que la densidad del agua es de 1 g/ml entonces la masa de agua será de 500 gramos. 1 Kg H O moles NaCl 58.5 g NaCl 500 g H O * *8.06 * 35. 75 g NaCL 1000 g H O Kg H O 1mol NaCl 4.4 Presión osmótica La osmosis es el proceso espontáneo por el cual las moléculas de disolvente atraviesan una membrana semipermeable de una solución de menor concentración de soluto hacia una solución con mayor concentración de soluto.
0 Presión osmótica Solvente puro Solvente puro Membrana semipermeable La presión osmótica de una solución es la presión que debe aplicarse a una solución para impedir la osmosis y evitar el flujo del disolvente a trabes de la membrana semipermeable hacia la solución. n π RT V Donde : π es la presion osmotica n numero de moles V volumen de solucion R 0,08 atm * L / mol K º C n V Concentracion en Molaridad π CRT Ejemplo Cual es la presión osmótica de una solución de sacarosa que tiene como densidad 1.34 g/ml a la temperatura de 5 ºC. Esta disuelta con 54 gramos de sacarosa en 560 gramos de agua. Determinando el volumen de solución Solucion soluto + disolvente 54 + 560 614 g 1ml solucion 1L 614 g solucion * * 0.458 L solucion 1.34 g solucion 1000ml moles de soluto
1 1mol sacarosa 54 g sacarosa * 0. 157mol sacarosa 34 g sacarosa La molaridad será: 0.157 M 0.34459moles / L 0.458 π mol atm* L 0.34459 *0.08 *(5 + 73) K º 8.4 atm L mol K º 5 APLICACIONES INDUSTRIALES Disoluciones Dentro de la industria para el control de calidad se muestra la necesidad de preparar distintas soluciones, así en la fabrica TAQUIÑA para determinar la dureza del agua necesitan prepara solución de EDTA como método titilación complexometrico. En la industria de lácteos como muestra PIL se puede ver para el análisis de acidez se estandariza soluciones de 0,1 N de HCl y 0.1 N de NaOH. Solubilidad Cuando queremos carbonatar un liquido (refresco, cerveza, vinos, etc.) siempre debemos de enfriar debido a que la solubilidad aumenta en los gases.
Propiedades Coligativas Son muy aplicados así los anticongelantes de etilenglicol que abate el punto de congelación del agua en el radiador del automóvil. El secado por osmosis aplicado a las frutas de frutas, la purificación del agua por osmosis inversa, etc.