FUNDACIÓN EDUCACIONAL COLEGIO DE LOS SS.CC. - MANQUEHUE- UNIDAD 2: DISOLUCIONES(PARTE 1) ASIGNATURA: QUÍMICA NIVEL: II MEDIO PROFESORES: MAGDALENA LOYOLA SERGIO ANDRÉS Objetivo General Conocer la composición, tipos de concentración y propiedades coligativas de las disoluciones que son importantes en la comprensión de nuestro medio circundante. Disolución El concepto de disolución o solución adquiere vital importancia en la vida de los seres vivos, debido a que son una de las formas más comunes en que se presenta la materia. Vivimos en una solución de gases, los mares son complejas soluciones de gases y sólidos en agua. Muchos de los líquidos que bebemos habitualmente, incluyendo el agua potable son soluciones, así como algunos combustibles, gas licuado, bencina, son también soluciones, el acero las joyas, las monedas, se les conoce como soluciones sólidas, en nuestro organismo se encuentran también soluciones como la orina, el suero sanguíneo. Por esto las soluciones son importantes en nuestro medio ambiente, además de ser condición indispensable para que ocurran reacciones químicas. Cómo definir disolución? Es una mezcla homogénea de 2 o más sustancias Esta homogeneidad de la solución se manifiesta en el hecho de que al tomar una muestra de cualquier parte de la solución y comprarla con otra muestra de la misma solución, esta presenta las mismas propiedades. Como las soluciones son mezclas, deben estar constituidas por al menos 2 sustancias, la que se encuentra en mayor proporción y disuelve al otro se llama solvente y la sustancia disuelta se llama soluto. Los tres estados de la materia pueden combinarse en formas diferentes para formar mezclas binarias (2 componentes).puesto que todos los gases son solubles entre si; por lo tanto el aire y todas las otras mezclas gaseosas constituyen soluciones, sin embargo los sólidos y líquidos, no se disuelven en los gases. Las aleaciones son mezclas de sólidos en sólidos, por ejemplo: el bronce, el oro con la plata el cobalto con níquel. Un ejemplo clásico de una solución de un líquido en un sólido, es el mercurio, en el oro o en la plata, estas soluciones se llaman amalgamas que tienen su mayor uso en el trabajo dental, para reparar las caries. De acuerdo con esto podemos ver los tipos de soluciones que existen, atendiendo al estado físico, en que se presentan.
Tipos de solución: FASE DEL SOLUTO SOLUCIÓN EJEMPLO Gaseosas Gas Líquido Sólido Todas las mezclas de gases. Bebidas gaseosas Hidrógeno en paladio Líquidos Gas Líquido Sólido SOLUBILIDAD Bebidas alcohólicas Amalgamas, mercurio en oro. A medida que se disuelve mayor cantidad de soluto en un solvente, aumenta la concentración de la solución. En muchos casos, sin embargo, el aumento de concentración alcanza un límite, más allá del cual no aumenta, porque es imposible ya disolver mayor cantidad de soluto. En este punto la solución se halla saturada. La concentración de una solución saturada se conoce como la solubilidad de la sustancia; en otras palabras; la medida de la solubilidad de una sustancia es simplemente la concentración de su solución saturada. El equilibrio en las soluciones Cuando una sustancia se disuelve en otra, es necesario que sus moléculas se dispersen, lo cual se logra si la atracción entre las moléculas de solvente y el soluto es mayor que la que existe entre las moléculas de soluto entre sí. Durante la disolución tienen lugar dos procesos opuestos a una temperatura determinada, las moléculas del sólido abandonan la superficie de los cristales a una velocidad constante, tendiendo a aumentar la concentración de la solución y por otra parte algunas de las moléculas disueltas chocan con las superficies de los cristales y debido a que el sólido tiene atracción hacia sus propias moléculas, estas cristalizan. El proceso de cristalización aumenta en velocidad a medida que aumenta la concentración de la solución, produciéndose un equilibrio dinámico, cuando la velocidad de retorno a la fase cristal iguale exactamente a la velocidad de desprendimiento de moléculas de soluto de dicha fase. Durante el equilibrio dinámico, no pudiendo aumentar la concentración de la solución, esta se halla saturada. Factores de los cuáles depende la solubilidad a. Naturaleza del disolvente (solvente) La solubilidad de una sustancia puede variar mucho según el solvente empleado. Así por ejemplo, la cantidad de bromo que puede disolver el bromoformo es 66,7 veces mayor que la que puede disolver el agua. En general, una sustancia tiende a disolverse en solventes que son químicamente análogos a ella; el naftaleno es un hidrocarburo muy soluble en bencina, sustancia que es una mezcla de hidrocarburos. b. Temperatura La solubilidad de los gases suele disminuir al aumentar la temperatura de la disolución. El aire disuelto que contiene el agua potable tiende a escapar en burbujas cuando se calienta el agua. Para los cuerpos sólidos puede decirse que la mayoría es más soluble en caliente que en frío. El modo como varía la solubilidad en función de la temperatura se aprovecha en la industria para separar a las sales unas de otras cuando se encuentran mezcladas o para liberarlas de sus impurezas.
c. Presión En lo que respecta a los líquidos y sólidos, la presión no influye esencialmente en su solubilidad. Por su parte los gases aumentan su solubilidad con la elevación de la presión. La ley de Henry establece que la solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión del gas sobre el líquido. d. Área de superficie de contacto Esta variable es aplicable a solutos en estado sólido, en la medida que un sólido se encuentra más disgregado o muy dividido permite aumentar la superficie de contacto. De esta manera, también su solubilidad aumenta por unidad de tiempo. EJERCICIOS DE SOLUBILIDAD 1) Considerando la siguiente gráfica que muestra las solubilidades de distintos compuestos (1,2,3 y4) de acuerdo al aumento de la temperatura, responda si cada una de las siguientes afirmaciones es verdadera (V) o falsa (F). Justifique las falsas. a) La solubilidad del compuesto 1 es la que se ve más afectada por la influencia de la temperatura. b) 1 podría corresponder a un gas c) La sustancia más soluble a 30 C es 2 d) Las sustancias 1, 2 y 3 podrían ser solidas o líquidas. V o F
2) Se tiene un barco y un grupo de personas que quiere viajar en él: Suponiendo que el barco es el disolvente, las personas el soluto y la capacidad del barco es de 20 personas (solubilidad), indique qué tipo de disolución (saturada, insaturada o sobresaturada) se forma en las siguientes situaciones, Jutifique. A) Si viaja la mitad de las personas de la imagen en el barco B) Viajan todas las personas de la imagen en el barco C) Viajan 20 personas en el barco
3) En la siguiente tabla se presenta la solubilidad del cloruro de sodio (NaCl) y el cloruro de potasio (KCl) a dos temperaturas diferentes: A partir de la información proporcionada por la tabla responda las siguientes preguntas: a) Cuál es la sal más soluble a 20 C? b) Si se disuelven 72 g de NaCl en 200 g de agua a 50 C qué tipo de disolución se formará? Escriba el desarrollo con regla de tres. c) Si se disuelven 86 g de KCl en 200 g de agua a 50 C qué tipo de disolución se formará?. Escriba el desarrollo con regla de tres. 4) La solubilidad del nitrógeno molecular en agua es de 0,024 g/l. a una atmósfera de presión. Suponiendo que esta solubilidad es la misma que en la sangre; determine la solubilidad del nitrógeno gaseoso en la sangre de un buzo que ha descendido a una profundidad de 20 metros bajo la superficie del océano. Dato; cada 10 m. de profundidad en el océano la Pº aumenta al doble. R = 0,096 g / L. 5) La solubilidad del sulfato de bario (BaSO 4 ) en agua es 0,0002 g/100 g de agua a 20ºC. Se encontró que una solución de éste compuesto a igual temperatura contenía 0,000049 g. del soluto en 20 g. de agua Esta es una solución saturada, insaturada, o una solución sobre saturada.
6) De acuerdo al gráfico responda: Solubilidad (g / L de agua) 60 A C B 50 40 D 30 x F 20 0 10 30 40 50 60 70 80 Temperatura (ºC) a) Cuál es la solubilidad (aproximada) de A, B, C y D a cero grados Celsius? b) Cuál de los compuestos es menos afectado en su solubilidad por la temperatura? c) A cuál de los compuestos le es más favorable la temperatura en su solubilidad? d) Qué representa X respecto a B y a C? e) Cuál de los compuestos, de acuerdo al efecto que tiene la temperatura en su solubilidad, se asemeja más a un gas? Explique.
CONCENTRACIÓN DE LAS DISOLUCIONES Los términos diluido y concentrado se utilizan frecuentemente para expresar concentraciones relativas pero carecen de un significado cuantitativo exacto. Una solución con una mayor cantidad de soluto que otra se dice que está más concentrado. Contrariamente aquella con la menor cantidad de soluto se dice que está más diluido. La concentración absoluta de una disolución nos dice qué tanto soluto está disuelto en un cantidad dada de solvente o en una solución dada. Por esto se hace necesario determinar algún sistema de unidades, que nos diga la cantidad de soluto presente en una solución y de esta forma saber su concentración. Es importante tener claro para la resolución de muchos ejercicios, esta información: Masa solución (g) = Volumen solución (ml)= 1L = masa soluto (g) + masa disolvente (g) volumen soluto (ml) + volumen disolvente (ml) 1000 ml 1 Kg = 1000 g Unidades de concentración de disoluciones Para expresar con exactitud la concentración de las soluciones se utilizan unidades de carácter físico y químico. Unidades físicas Porcentaje Masa/Masa o peso/peso (%m/m o %p/p) Porcentaje masa/volumen (%m/v) Porcentaje volumen/volumen (%v/v) Unidades químicas Molaridad (M): Moles de soluto por Litro de solución. Molalidad (m): Moles de soluto por Kg de solvente. Fracción Molar (X i): Moles de soluto o solvente en los moles totales de solución. EJERCICIOS RESUELTOS 1. %m/m Expresa la cantidad de gramos de soluto contenidos en 100 g de solución.
Cuántos gramos de ácido nítrico se necesitan para preparar 60 g de solución al 80% m/m? Solución: Una solución al 80% m/m contiene 80 g de soluto por cada 100 g de solución. En 60 g de solución estarán contenidos: 2. % m/v 100 g de solución 80 g de soluto = 60 g de solución x g de soluto x = 48 g de HNO 3 Expresa la cantidad de gramos de soluto contenidos por cada 100 ml de solución. Qué cantidad de azúcar se necesita en la preparación de 24 ml de solución al 80%m/v? Solución: Una solución al 80%, contiene 80 g de soluto por cada 100 ml de solución. En 24 ml están contenidos los siguientes gramos. 3. % v/v 100 ml de solución 80 g de soluto = 24 ml de solución x g de soluto Expresa la cantidad de ml contenidos en 100 ml de solución x = 19,2 g de azúcar 1,2 ml de ácido oleico se disuelven en 28,8 ml de benceno cuál es el %v/v de la solución? Solución: 30 ml de solución contienen 1,2 ml de ácido oleico, 100 ml contienen. 4. Molaridad (M) 30 ml de solución 1,2 ml de soluto = 100 ml de solución x ml de soluto Representa el número de moles de soluto por litro de solución. M = n (moles) V (litros) x = 4% v/v Calcular la M de 250 ml de solución que contienen 20 g de hidróxido de sodio (M.M.=40 g/mol). Solución: M = n Como no se conoce el número de moles (n) es necesario calcularlo. v n = n = g de compuesto P. M de compuesto 20 g = 0,5 mol 40 g /mol
Por lo tanto: M = 0,5 moles 0,25 L = 2 mol L = 2M 5. Molalidad (m): Es el número de moles de soluto por Kg de solvente. m = n Kg de solvente La concentración de una solución molar varía con la temperatura, pues al cambiar ésta varía el volumen de la solución. En cambio esto no ocurre con las soluciones molales, en las cuales la relación entre solvente y soluto está establecida en masa. Se disuelven 2,45 g de H 2SO 4 (soluto) en 0,1 Kg de agua (solvente) Los moles de soluto (H 2SO 4) corresponden a 2,45 g 98 g /mol = 0,025 moles de soluto Por lo tanto la molalidad será: 6. Fracción Molar (X) m = 0,025 moles 0,100 Kg de solvente = 0,25 moles Kg de solvente = 0,25 m La fracción molar se define como el número de moles de uno de los componentes de la disolución dividido por el número de moles totales de esta disolución. La fracción molar del soluto de la disolución se escribe como: X soluto = moles de soluto Moles de soluto+moles de solvente X Solvente = Moles de solvente Moles de soluto+moles de solvente La fracción molar no tiene unidades. Ejemplo: Una disolución se prepara disolviendo 200,4 g de etanol puro (M.M. =46 g/mol) en 143,9 g de agua (M.M. =18g/mol) determine la fracción molar del etanol y la del agua. X Etanol = 200,4 g 46 g/mol 200.4 g 143,9 g + 46 g/mol 18 g/mol X etanol=0,353
En una disolución de etanol en agua se tiene que: X Etanol + X agua = 1 0,353 + X agua = 1 X Agua = 0,647 GUÍA DE EJERCICIOS PROPUESTOS 1. Si tenemos 16 g de HNO 3 presentes 81 g de solución acuosa. Cuáles es el % m/m de la solución? (R= 19,75% m/m) 2. Con 40 g de solvente se preparan 50 g de solución cuál es el % m/m de la solución? (R= 20 % m/m) 3. Si se disuelven 20 g de alcohol en 30 g de agua cuál es % m/m de la solución? (R= 40 % m/m) 4. Una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl) Tiene una concentración de 37 % m/m de HCl Cuántos g de esta solución contendrán 5 g de HCl puro? (R= 13,51 g de solución) 5. Se desea preparar 100 g de solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) al 19 % m/m Cuántos g de NaOH y de H 2O debe usar? (R= 19 g de NaOH y 81 g de H 2O) 6. En 12,5 ml de solución existen 2 g de soluto. Calcule el % m/v de la solución. 7. Qué masa de yodo se necesita para preparar 50 ml de solución al 30 % m/v? (R= 16 % m/v) (R= 15 g) 8. Se requiere preparar 200 ml de solución al 25 % m/v Cuántos g de soluto se necesitan? (R= 50 g) 9. Se disuelven 30 g de azúcar en 100 ml de agua, obteniéndose 115 ml (Densidad H 2O=1g/ml). Calcule: a) %m/m (R= 23,07% m/m) b) % m/v (R=26,08 % m/v) 10. Se disuelven 20 ml de alcohol (d= 0,8 g /ml) en 60 g de agua. determine el % m/m. (21,05 %m/m) 11. Se disuelven 30 ml de alcohol puro (densidad alcohol= 0,8 g/ml) en 120 ml de agua (densidad H 2O=1g/ml). Determine: a. %m/m ( 16,67 % m/m) b. %m/v ( 16 %m/v)
12. Se tiene una solución al 12 % m/m de cierta sustancia en agua, la densidad de la solución = 1,10 g /ml, calcula el % m/v. (13,19 % m/v) 13. Se tiene una solución de cloruro de sodio (NaCl) en agua al 10 %m/v la densidad de la solución=1,20 g /ml. Calcule el % m/m. (R= 8,33 %m/m) 14. Se tiene una solución acuosa de K 2SO 4 en agua al 15%m/m, la densidad solución= 1,5 g/ml. Calcular: a. g de K 2SO 4 disueltos en 150 g de solución (R=22,50 g) b. g de K 2SO 4 disueltos en 100 g de agua (R=17,65 g) c. g de solución en que están disueltos 25 g de K 2SO 4 (R=166,67 g) d. % m/v (R=22,49 %m/v) 15. Se desea preparar 100 ml de solución 0,2 M de ácido sulfúrico (H 2SO 4). Calcule la cantidad de ácido necesario para preparar dicha solución (M.M H2SO4 = 98 g/mol) (R= 1,96 g) 16. Cuántos g de ácido cítrico (M.M = 192 g/mol) se necesitan para preparar 1500 ml de solución al 2M? (R= 576 g) 17. Cuántos g de HCl (M.M. = 36 g /mol) hay en 200 ml de una solución 0,15 M? (R= 1,08 g) 18. Cuántos moles de soluto se necesitan para preparar 100 ml de solución 0,1 M? (R=0,01 moles) 19. Calcule la M de una solución que en 20 ml contiene 0,0425 g de amoniaco (NH 3) (MMNH 3= 17 g/mol) (R=0,125 M) 20. Se necesita preparar 200 ml de solución de naftaleno 0,1 M Cuántos moles son necesarios? (R= 0,02 moles) 21. Cuántos litros de solución 0,5 M pueden prepararse con 392 g de de ácido sulfúrico (H 2SO 4) (M.M H2SO4 = 98 g/mol) (R=8 L) 22. Cuántos g de HCl son necesarios para preparar 100 ml de solución 0,1 M (M.M HCl = 36,5 g/mol) (R=0,365 g) 23. Se mezclan tres soluciones de ácido nítrico (HNO 3) a distintas concentraciones: SOLUCIÓN A: 2mL de solución 0,2 M, SOLUCIÓN B: 2 ml de solución 0,1 M y SOLUCIÓN C: con 4 ml de solución 0,05 M Cuál es la molaridad de la solución resultante? (R= 0,1M) 24. Se disuelven 800 ml de alcohol (M.M alcohol= 64 g/mol) en 1360 g de agua. Determine la M (d alcohol= 0,5 g/ml, d agua= 1 g/ml) (R = 2,89M) 25. Determinar la molaridad de una solución que se encuentra al 5% m/v de NaCl (M.M. NaCl= 58,5 g/mol) (R=0,86 M)
26. Se disuelven 1g de glucosa (C 6H 12O 6) en suficiente agua hasta completar 50 ml de solución (M.M C 6H 12O 6= 180 g/mol). Calcular: a. %m/v (R= 2%m/v) b. M (R=0,11 M) 27. Determinar cuántos g de KCl (M.M KCl = 74,6 g/mol) se necesitan para obtener 200 ml de una solución 0,6 M. (R= 8,95 g de KCl) 28. Se prepara una disolución de 10 moles de H 2O; 1 mol de NaOH y 2 moles de azúcar Cuál es la fracción molar de NaOH? (R= 0,077) 29. Cuál es la fracción molar del agua en una disolución acuosa al 60% m/m de etanol? (M.M etanol= 46 g/mol; M.M. agua =18g/mol) (R=0,63) 30. Suponga que se mezclan 3,65 L de NaCl 0,11 M, con 5,11 L de NaCl 0,16 M. Suponga que los volúmenes son aditivos, es decir, el volumen final después de la mezcla es 8,76 L Cuál será la molaridad de la solución final? (R= 0,14 M) 31. Calcular la molaridad de una solución acuosa de H 2SO 4 de densidad 1,19 g/ml y que contiene 27% m/m de H 2SO 4. (M.M=98 g /mol). (R=3,28 M) 32. Cuántos g de HNO 3 (M.M= 63 g/mol) se deben disolver en 500 g de agua (solvente) si se desea obtener una solución acuosa 0,2 m? (R=6,30 g) 33. Cuántos g de HNO 3 (M.M= 63 g/mol) están contenidos en 5,32 g de solución, de concentración 1m? (R=0,32 g) 34. Calcular los g de naftaleno (M.M=128 g/mol) necesarios para disolver en 500 g de solvente si se desea obtener una solución 0,2 m. (R=12,80 g) 35. Sobre 32 g de naftaleno (M.M=128 g/mol) se agrega solvente hasta completar 282 g de solución. Calcular la molalidad de la solución resultante. (R= 0,99m) 36. Cuál es la molalidad de una solución de NaOH (M.M= 40 g/mol) al 20%m/m? (R=6,25 m) 37. Se disuelven 44,83 ml de benceno (d=0,87 g/ml; M.M= 78 g/mol) en 200 ml de éter dietílico d=0,71 g/ml. Calcule la molalidad de la solución. (R=3,52 m)
38. Una solución de alcohol etílico (M.M= 46 g/mol) en agua tiene una concentración 1,54 m. Cuántos g de alcohol están disueltos en 2500 g de agua? (R=177,1 g) 39. Se tiene una solución que contiene 410,3 g de H 2SO 4 (M.M=98 g /mol). por litro de solución. Si la densidad de la solución es de 1,24 g/ml Cuál es la m y la M de la solución? (R= 5,05m; 4,19 M) 40. Al disolver 30 g de un azúcar (M.M= 342 g/mol) en 100 ml de agua (dh 20=1 g/ml) se obtuvieron 115 ml de solución. Expresa la concentración de la solución en: a. %m/m (R=23,07 %m/m) b. %m/v (R=26,09 % m/v) c. %v/v (R=13,04 %v/v) d. M (R=0,78 M) e. m (R=0,90 m) 41. El ácido sulfúrico (M.M=98 g /mol) comercial tiene una densidad de 1,81 g/ml, correspondiéndole una concentración de 88,6 %m/m. Calcule la concentración en %m/v, M y m. Bibliografía para consultar Brown, Le May, Bursten; Química la ciencia central, 9º edición, 2004. (R=160,39 %m/v; 16,29 M; 78,94 m) Balochi, Bouyssieres, Díaz, Martínez; Curso de química General, Universidad de Santiago de Chile, 2000. Chang Raymond, Química General, 7º edición, 2002.