Objetivo: Reconocer las soluciones químicas y sus características generales, a través de estudios cualitativos y cuantitativos referidas al concepto de concentración en diversas disoluciones. Profesor: Carlos Gutiérrez Arancibia
Qué característica posee cada una de las imágenes?
Disoluciones Químicas Existen 2 tipos de mezclas, Mezclas Heterogéneas, en las que sus componentes no están uniformemente distribuidos y conservan sus propiedades individuales, clasificadas como coloides y suspensiones, y las homogéneas, en la que los componentes no pueden observarse a simple vista, y por ende, cada porción de la mezcla posee las mismas propiedades, denominadas comúnmente como disoluciones químicas. Coloides: Los coloides son sistemas heterogéneos, ya que sus partículas son visibles a través de un microscopio. Los coloides pueden formar una emulsión (un líquido disuelto en otro, agua-aceite), un gel (sólido continuo disuelto en un líquido continuo, jaleas) o un aerosol (sólido o líquido disuelto en un gas, niebla). Suspensiones: En las suspensiones, las partículas son visibles a simple vista o al microscopio, puesto que se trata de un tipo de mezcla heterogénea. La fase dispersa de una suspensión es un sólido y su fase dispersante, un líquido.
Disoluciones Químicas Una disolución química es una mezcla homogénea, uniforme y estable, formada por dos o más sustancias denominadas genéricamente componentes, entre los cuales no hay una reacción química. Uno de sus componentes se denomina soluto y corresponde a aquella sustancia que está en menor proporción, y el otro disolvente, que es aquel que se presenta en mayor cantidad. Las disoluciones químicas en las que el disolvente es agua, se denominan disoluciones acuosas. Así, matemáticamente se puede expresar una disolución como:
Disoluciones Químicas De acuerdo a la relación anterior, es válida cuando se hace referencia a la masa de la disolución. Por ejemplo, cuando se mezclan 250g de agua con 20g de jugo de naranja, se formará una disolución con una masa total de 270g. Las disoluciones se caracterizan por presentar una sola fase, es decir, sus componentes son invisibles a simple vista, razón por la cual estos pueden separarse por cambios de fase, es decir, evaporación, fusión, condensación, solidificación; siempre y cuando sus puntos de ebullición y fusión sean distintos.
Proceso de disolución Si el soluto es un compuesto con carácter iónico ocurre primeramente la separación de los iones de la sal y la separación de las moléculas de solvente (agua). Ambos procesos son endotérmicos y requieren de energía para su ocurrencia. En la siguiente etapa, se produce la interacción entre soluto y disolvente (proceso exotérmico). En el caso de una sal iónica, la disolución culmina con la formación de iones que se dispersan en el solvente (disociación). En el ejemplo, la energía liberada se transfiere a los iones Na+ y Cl-. Con ello se consigue liberar a los iones de la red cristalina. Estos iones se hidratan, vale decir, se rodean de moléculas de agua, generándose con ello especies químicas individuales (iones hidratados). El proceso de interacción ion-disolvente se denomina solvatación y si se trata de agua se denomina hidratación.
Tipos de Disoluciones Las disoluciones se pueden clasificar empleando los sgtes. Criterios:
Tipos de Disoluciones Considerando el estado del disolvente, se establece el estado de la disolución, es decir, si el disolvente es líquido, la solución también se considera líquida, independiente del estado del soluto. Ejemplos de disolución, según el estado del disolvente:
Tipos de Disoluciones Usando como criterio la relación proporcional entre soluto y disolvente, se establecen: 1. Disoluciones Insaturadas o no Saturadas: Si la masa de soluto disuelto es menor que la correspondiente a la de saturación (máxima cantidad de soluto disuelto en condiciones de temperatura y presión). 2. Disoluciones Saturadas: Cuando se ha disuelto el máximo de soluto en un volumen de disolvente se dice que la disolución está saturada. Al agregar mayor cantidad de soluto a una disolución saturada el soluto no se disuelve más. 3. Disoluciones Sobresaturadas: En ocasiones la masa de soluto DISUELTO puede ser temporalmente mayor que la correspondiente a la de saturación.
Disoluciones Químicas Disolución de un colorante de color verde.
Solubilidad Se denomina solubilidad a la máxima cantidad de sustancia que puede ser disuelta a una temperatura dada en una cierta cantidad de disolvente, con el propósito de formar una solución estable. La solubilidad se puede expresar en g/l o concentración molar ([ ]). Comúnmente, este término se utiliza para designar cualitativamente la disolución y cuantitativamente la concentración. Se expresa como la cantidad de gramos de soluto disueltos por cada 100g de disolvente a una temperatura determinada de acuerdo con la siguiente fórmula:
Factores que Afectan la Solubilidad. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, pues para que exista disolución ambos componentes deben tener polaridades semejantes. Por ejemplo, el agua es un compuesto polar que disolverá con facilidad sustancias polares. Este factor se denomina Naturaleza del soluto y del disolvente LO SEMEJANTE DISUELVE A LO SEMEJANTE 1. Temperatura: Al aumentar la temperatura de la disolución se facilita el proceso de disolución del soluto.
Factores que Afectan la Solubilidad. 2. Presión: La presión sólo altera la solubilidad solo cuando el soluto es gaseoso. La solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión aplicada por el gas sobre el líquido. 3. Estado de Agregación: Mientras mas disgregado se presente el soluto, mayor será su solubilidad en el disolvente (superficie de Contabto). 4. Naturaleza del Soluto y del Disolvente: Propiedades principales de los participantes de una disolución química.
Factores que Afectan la Solubilidad. 1. Temperatura: Al aumentar la temperatura de la disolución se facilita el proceso de disolución del soluto. Para los sólidos, si es iónico y disolvente líquido, el aumento de la temperatura provoca un aumento de la solubilidad. En algunas sustancias la solubilidad disminuye. Para los gases disueltos en agua, la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura. Es por eso que, si calentamos una bebida gaseosa, el gas será expulsado de la mezcla.
Factores que Afectan la Solubilidad. 2. Presión: La presión sólo afecta de manera significativa a los gases por lo tanto, es el único estado de agregación que en una mezcla podría cambiar su solubilidad al variar la presión. La solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión aplicada por el gas sobre el líquido. La presión no afecta la solubilidad de sólidos y líquidos. Al aumentar la presión de un gas en un disolvente líquido, las moléculas de gas se aproximan y el número de colisiones por segundo (que las moléculas de gas experimentan con la superficie del líquido) aumenta. Esto provoca un cambio en la solubilidad del soluto gaseoso en el solvente líquido, dado que un mayor número de moléculas se disuelven en el solvente.
Factores que Afectan la Solubilidad. Ley de Henry: Establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a su presión parcial y a su coeficiente de solubilidad. Temperatura constante. S = k Pi
Factores que Afectan la Solubilidad. 3. Naturaleza del Soluto y del Disolvente: La solubilidad de un compuesto en un gran determinado solvente depende en gran medida del nivel de interacción que pueden establecer entre ellos, por esto la naturaleza del soluto y del solvente determinan el grado de solubilidad que se alcanzará y si uno de ellos cambia, entonces la solubilidad también. «LO SEMEJANTE DISUELVE LO SEMEJANTE»
Concentración de las Disoluciones Químicas Disoluciones Diluidas y Concentradas: La concentración de una disolución indica la cantidad de soluto disuelto en una determinada cantidad de disolvente, así hay disoluciones: Diluidas: contienen poco soluto en relación al solvente (un ejemplo: 10 gramos de cloruro de sodio en 1 litro de agua).. Concentrada: contienen bastante soluto en relación al solvente (por ejemplo: 300 gramos de cloruro de sodio en 1 litro de agua).
Según el carácter molecular. Conductoras Los solutos están ionizados (electrolitos) tales como disoluciones de ácidos, bases o sales. No conductoras El soluto no está ionizado. a) No electrolito, moléculas de CH 3 OH b) Electrolito fuerte, MgCl 2, se disocia en iones Mg 2+ y Cl - c) Electrolito débil, CH 3 COOH
Según el carácter molecular. 1. Electrolito Fuerte: Es una sustancia que está prácticamente ionizada totalmente en disolución acuosa. Dicho en otras palabras, un electrolito fuerte tiene una fuerte o alta tendencia a producir iones. Disociación 100%, muy solubles y gran conductividad eléctrica. Ejemplos: NaCl Na + (ac) + Cl - (ac) MgCl 2 Mg 2+ (ac) + 2 Cl - (ac) HCl + H 2 O H 3 O + (ac) + Cl - (ac) Algunos Hidróxidos : NaOH Na + (ac) + (OH)- (ac) Ba(OH) 2 Ba +2 (ac) + 2(OH) - (ac)
Según el carácter molecular. 2. Electrolito Débil: Es una sustancia que está solo parcialmente ionizada en disolución acuosa. Un electrolito débil tiene una tendencia débil o baja a producir iones. Disociación <100%, poco solubles y pobre en conductividad eléctrica. Ejemplos: El ácido acético: CH 3 COOH + H 2 O CH 3 COO - + H 3 O + HAc + H 2 O Ac - + H 3 O + El Amoniaco : NH 3 + H 2 O NH 4 + + OH -
Según el carácter molecular. 3. No Electrolito: No disocian y por tanto no dejan iones en solución. Estos compuestos reaccionan con el agua generando puentes de hidrógeno, interacciones mucho más débiles que las atracciones electrostáticas entre iones. Ejemplos: proteínas, carbohidratos, benceno, etc.
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Concentración de las Disoluciones Químicas Concentraciones Porcentuales: En ellas se establece la relación soluto disolución en diferentes magnitudes y unidades. Corresponden a: %m/m ; %m/v ; %v/v Concentración porcentual Masa/masa %m/m Masa/volumen %m/v Volumen/volumen %v/v Definición Indica los gramos de soluto que están contenidos en 100 gramos de solución. Indica los gramos de soluto que están contenidos en 100 ml de solución. Indica volumen de soluto (A) en ml en 100 ml de disolución (A+B). Formula % m m = gramos de soluto gramos de solución x 100 % m v Ejemplo 5% m/m corresponde a 5 gramos de soluto que se disuelven en 95 gramos de disolvente, resultando 100 gramos de disolución. gramos de soluto = mililitros de solución x 100 % v mililitros de soluto = v mililitros de solución x 100 10% m/v corresponde a 10g de soluto en 100 ml de disolución. 15% v/v corresponde a 15 ml de soluto que se disuelven en 85 ml de disolvente para formar una disolución de 100 ml.
Ejemplo Cuánta agua es necesaria para preparar una solución acuosa de sal al 5% m/m? El almíbar es una disolución concentrada de azúcar disuelta en agua. Qué concentración expresada en %m/m, se tiene al mezclar 50 g de azúcar en 250 g de agua?
Ejemplo Qué cantidades de agua y sal se deben mezclar para obtener una disolución acuosa 7% m/v cuya densidad es 1,2 g/ml? Cuál es el % m/v de una disolución acuosa de 400 ml que contiene 40 de soluto?
Ejemplo Qué volumen de alcohol se debe agregar a 50 ml de agua para obtener una disolución de 70 ml y cual será su % v/v, considerando para este caso que los volúmenes son aditivos.
Concentración de las Disoluciones Químicas Concentraciones Molares: En ellas se establece la relación soluto disolución o disolvente, en diferentes magnitudes y unidades. Corresponden a: Molaridad y molalidad. La magnitud empleada en este tipo de concentraciones es la cantidad de sustancia. Cuya unidad es el mol. Concentraciones Molares Definición Molaridad Indica los moles de soluto que están contenidos en 1 litro de solución. Molalidad Indica el número de moles de soluto contenidos en un kilogramo de solvente Formula M = Ejemplo moles de soluto litros de solución 1M corresponde a un mol de soluto contenido en un litro de disolución. m = moles de soluto kilogramos de disolvente 1m es equivalente a tener un mol de soluto disuelto en un kilógramo de disolvente.
Ejemplo Cuál es la concentración molar (M), que presenta 15 g de NaCl en 250 ml de disolución? MM NaCl: 58,5 g/mol Cuántos gramos de LiOH se necesitan para prepara una disolución aforada a 500 ml y que presente una concentración de 5M? MM LiOH: 24 g/mol
Ejemplo Cuál es la concentración molal (m), que presenta 150 g de NaCl en 800 g de disolvente? MM NaCl: 58,5 g/mol Cuántos gramos de LiOH se necesitan para prepara una disolución que contiene 248 g de disolvente y que presente una concentración de 2,74 m? MM LiOH: 24 g/mol
Dilución de Disoluciones Diluir implica adicionar solvente a una solución usualmente concentrada. Cada vez que se lleva a cabo una dilución, el volumen final aumenta, pero la cantidad de soluto permanece constante, de modo que la concentración de la solución se hace menor. En general: Donde: C1 y C2 = Concentración molar o %m/v (porcentaje masa/volumen) inicial y final respectivamente. V1 y V2 = Volúmenes de solución inicial y final respectivamente.
Ejemplo Se diluye una solución acuosa concentrada formada por NaCl y agua adicionando medio litro de disolvente, de acuerdo con: Una vez finalizada la dilución y asumiendo un volumen final es de 600mL, qué concentración tendrá la disolución.