MODULO VII

 

SOLUCIONES

Disolución o solución 

Las disoluciones están formadas por dos partes. La sustancia que está disuelta es el soluto. La sustancia donde se disuelve el soluto es el disolvente. No es necesario que un disolvente sea líquido, aunque es probable que el término disolución haga pensar en un soluto sólido, como el azúcar, disuelto en un disolvente líquido, como el agua. 

Por ejemplo, el aire es una disolución donde el disolvente es N2 (casi 80% del aire), en el cual está disuelto el O2 (casi 20%).

Otro ejemplo es el oro que se usa en joyería: es una aleación (una mezcla de metales) de oro (disolvente) y uno o más

metales (solutos), incluyendo cobre y níquel.

• Mezcla homogénea de dos o más sustancias. 
• Compuesta de solvente y soluto, el solvente es el que se encuentra en mayor proporción. 
• El soluto o los solutos se disuelven en el solvente. 
• El solvente más común es el agua

TIPOS DE SOLUCIONES

• Saturada: Máxima cantidad de soluto que puede ser disuelta en el disolvente.
• No saturada: Menor cantidad de soluto que se agrega al disolvente.
• Sobresaturada: Mayor cantidad de soluto.
• Cristalización: Es cuando se precipita el soluto debido a una sobresaturación.

FACTORES QUE AFECTAN A LA DISOLUCIÓN

*Afectan al soluto en su solución.

• temperatura
• presión
• Agitación
• Polaridad
• Tamaño de partículas

*Es importante recordar:

Interacción disolvente- disolvente

Interacción soluto- soluto

Interacción disolvente-soluto

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CONCENTRACIONES EXPRESADAS EN UNIDADES FÍSICAS

Cuando se usan unidades físicas, las concentraciones de las disoluciones se expresan en una de las formas siguientes:

1. Cantidad de unidades de masa de soluto dividido unidades de volumen de disolución (por ejemplo, 20 g de KCl por Mililitros

de disolución).

2. Composición porcentual o cantidad de unidades de masa de soluto por 100 unidades de masa de disolución.

Porcentaje masa-masa (% p/p)

Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 unidades de masa de la solución:

${\displaystyle \%{\mbox{ masa}}={\frac {\mbox{masa del soluto (g)}}{\mbox{masa de disolución (g)}}}\cdot 100}$

Por ejemplo, si se disuelven 20 g de azúcar en 80 g de agua, el porcentaje en masa será: 

${\displaystyle {\frac {20}{20+80}}\cdot 100=20\%}$ o, para distinguirlo de otros porcentajes, 20 % p/p.

Porcentaje volumen-volumen (% v/v)

Expresa el volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la disolución. Se suele usar para mezclas líquidas o gaseosas, en las que el volumen es un parámetro importante a tener en cuenta. Es decir, el porcentaje que representa el soluto en el volumen total de la disolución. Suele expresarse simplificadamente como «% v/v».

${\displaystyle \ \%{\mbox{ volumen}}={\frac {\mbox{volumen de soluto (ml)}}{{\mbox{volumen de disolución (ml}})}}\cdot 100}$

Por ejemplo, si se tiene una disolución del 20% en volumen (20 % v/v) de alcohol en agua quiere decir que hay 20 ml de alcohol por cada 100 ml de disolución.

La graduación alcohólica de las bebidas se expresa precisamente así: un vino de 12 grados (12°) tiene un 12% v/v de alcohol.

Porcentaje en masa-volumen (% p/v)

Se pueden usar también las mismas unidades que para medir la densidad aunque no conviene combinar ambos conceptos. La densidad de la mezcla es la masa de la disolución dividida por el volumen de esta, mientras que la concentración en dichas unidades es la masa de soluto dividida por el volumen de la disolución por 100. Se suelen usar gramos por mililitro (g/ml) y a veces se expresa como «% p/v».

${\displaystyle \ \%{\mbox{ m/v}}={\frac {\mbox{masa de soluto (g)}}{\mbox{volumen de disolución (ml)}}}\cdot 100}$
* LAS UNIDADES PARA EXPRESAR EL PORCENTAJE SON:PESO: GRAMOSVOLUMEN: MILIGRAMOS
EJERCICIOS:
¿Qué masa de disolución de NaCl al 5.0% en peso se necesita para tener 3.2 g de NaCl?Una disolución de NaCl al 5.0% contiene 5.0 g de NaCl en 100 g de disolución. 
Entonces, 1 g NaCl está contenido en 100/ 5.0 g de disolución 
 3.2 g NaCl están contenidos en (3.2) (100/5.0 g de disolución) = 64 g de disolución
Otro método para resolver el problema utiliza relaciones y proporciones (P es la masa que se desea):

p , entonces p = 64 g de disolución
Determine la concentración (% p/v) de una solución de sal en la que se peso 57 g y el volumen final fue de 0.214 L.
*Nos damos cuenta que nuestra dimensional está en litros, por lo tanto la unidad correcta son miligramos.
Realizamos la conversión:

0.214 L ----> 214 ml

26.64 % g de sal por cada 100 ml de disolución.

MOLARIDAD (M) Y MOLALIDAD (m)

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Concentración molarLa concentración molar (M) se define como la cantidad de moles de soluto en un litro de disolución.

La molaridad es una medida de la concentración donde la misma cantidad de moléculas de soluto se encuentran en cualquier disolución que numéricamente sea igual.
Por ejemplo, 1 L de una disolución de NaCl 3 molar contiene lamisma cantidad de moléculas que 1 L de una disolución de H2SO4 3 molar, o 1 L de una disolución de CH3OH 3M.

MolalidadLa molalidad de una disolución es la cantidad de moles de soluto por kilogramo de disolvente en la disolución.
La molalidad (m) no se puede calcular a partir de la concentración molar (M) a menos que se conozca la densidad de la disolución.

Ejemplo: 
Calcule la molalidad de una disolución de ácido sulfúrico que contiene 24.4 g de ácido súlfurico en 198 g de agua.
Sabemos que ...H2SO4= 24.4 gH2O= 198g
y  la ecuación de (m) es Moles de soluto/ kg de solvente, Por lo tanto debemos realizar las conversiones a las unidades correctas para calcular la molalidad.

Ahora podemos calcular...

NORMALIDAD

La normalidad (N) de una disolución es la cantidad de equivalentes de soluto contenidos en un litro de disolución. La masa equivalente es la fracción de la masa molar que corresponde a la unidad de reacción química definida, y un equivalente (eq) es la misma fracción de un mol. 

Las masas equivalentes se determinan de la siguiente manera:

1. La unidad de reacción definida para ácidos y bases es la reacción de neutralización

H+ + OH− → H2O

La masa equivalente de un ácido es la fracción de la masa molar que contiene o que puede suministrar un mol de H+.

Una forma sencilla de considerar la masa equivalente consiste en considerarla como la masa del ácido dividida entre la cantidad de H por molécula, suponiendo que haya ionización completa.

CONCEPTO DE EQUIVALENTE

*Es la cantidad de una sustancia que representa una unidad de reacción en un proceso.

*La ventaja de trabajar con EQUIVALENTES, es que las reacciones siempre son de 1:1, al contrario de cuando se trabaja con moles.

*Dado que el concepto de equivalentes le señala como unidad de reacción, el mismo dependerá del tipo de reacción en el cual la disolución tome parte.

El nombre real de los equivalentes de reacciones es: " Número de equivalentes gramo" pero se suele llamar "equivalentes"

El peso equivalentes es la cantidad "EFECTIVA" que participa en la reacción en particular.

*ES LA UNIDAD DE REACCIÓN POR EXCELENCIA.

Donde n dependerá del tipo de reacción en la cual esté participando la disolución en particular.

TIPOS DE REACCIÓN EN UNA SOLUCIÓN 

Reacción de neutralización

Es la cantidad de sustancia que cede o reacciona con un mol de iones H+. 

* SI EL SOLUTO ES UN ÁCIDO, n Será la cantidad de iones hidronico que cede.

*CUIDADO con los ácido polipróticos en neutralizaciónes parciales y totales.

Los ácidos fuerte---> dan todos sus H+

*SI EL SOLUTO ES UNA base, n será la cantidad de iones hidronio que es capaz de aceptar.

Ca(OH)2--> 2n

Ácido fuerte- Es un ácido que cuando está en solución acuosa se ioniza completamente, es decir, se transforma completamente en los iones que componen su molécula. Por ejemplo: HCl(ac), HBr(ac), H2SO4(ac).

Base fuerte- Es una base que cuando está en solución acuosa se ioniza completamente, es decir, se transforma completamente en los iones que componen su molécula. Por ejemplo: NaOH(ac), LiOH(ac), KOH(ac).

Ácido débil- Es un ácido que cuando está en solución acuosa se ioniza parcialmente, es decir, no se transforma completamente en los iones que componen su molécula. Por tanto, la concentración de iones en solución de este tipo de ácido es menor que en uno fuerte. Por ejemplo: el ácido cítrico, el ácido carbónico (H2CO3)

Base débil- Es una base que cuando está en solución acuosa se ioniza parcialmente. Es decir, NO se transforma completamente en los iones que componen su molécula. Por tanto, la concentración de iones en solución de este tipo de base es menor que en una fuerte. Por ejemplo: amoníaco (NH3), hidróxido de amonio (NH4OH)

Reacción de precipitación on que involucre sales

PESO EQUIVALENTE ---> es la cantidad de sustancia que cede o reacciona con un catión monovalente.

n, es el número total de cargas positivas o negativas que tenga una unidad de fórmula del soluto.

Reacción de óxido reducción 

PESO EQUIVALENTE ---> es la cantidad de sustancia que gana o pierde un mol de electrones.

n, es el número total de electrones que el soluto gana o pierda en la reducción de óxido-reducción.

NORMALIDAD

La normalidad es una medida de la concentración de una solución y se define como la relación entre los equivalentes de una sustancia y los litros de una solución. 

Los equivalentes se refieren a las cargas por mol de una sustancia: para el caso de los ácidos se refiere a la cantidad de cargas de los hidronio H+, para las bases a la cantidad de cargas negativos de los grupos hidroxilo OH- y para las sales se refiere a las cantidades positivas de los elementos metálicos que sustituyen los hidrógenos de los ácidos.

(N) Unidad de concentración que corresponde al número de equivalentes de soluto por litro de solución. La normalidad se calcula tomando como referencia una reacción determinada.

La concentración normal o normalidad (N), se define como el número de equivalentes de soluto por litro de solución:

 N = (Equivalentes de soluto)/(Litros de solución)

 o a menudo se establece la forma más simple como:

 N = equiv/L

*Es necesario siempre conocer en que reacción se utiliza la disolución para poder calcular el número de equivalentes a partir del peso equivalente del soluto.

Ejemplo: 

1. Determine la concentración en equivalentes por litro (normalidad) de una solución que fue preparada disolviendo 15 gramos de H2SO4 en suficiente agua hasta completar 650 ml de solución.

Datos:

N= ?

g soluto= 15 gramos

V = 650 ml

Masa molar H2SO4 = 98 g/mol

Paso # 1. Cálculo del peso equivalente del soluto H2SO4

https://quimicaencasa.com/normalidad-ejercicios-resueltos/

Paso # 2. Transformación del volumen en litros.   

https://quimicaencasa.com/normalidad-ejercicios-resueltos/

Paso # 3. Cálculo de la Normalidad.

https://quimicaencasa.com/normalidad-ejercicios-resueltos/

PARTES POR MILLÓN (PPM)

*forma de expresar la mínima cantidad de soluto

1ppm= 1mg/L en disolución acuosa, líquida o gaseosa.

1ppm= 1mg/kg en disolución sólida.

ppm- Su uso está descontinuado, sin embargo aparece en bibliografía antigua.

*AHORA SE PREFIERE HACER REFERENCIA SIMPLEMENTE COMO mg/L

Ejemplo:
Determine la concentración de una solución que tiene 0.2564 g de soluto en 14.5 L de disolución en términos de ppm.

Sabemos que:
soluto= 0.2564g--> debemos de tomar en cuenta que esten en las unidades correctas.

volumen= 14.5L 

CONVERSIÓN DE g a mg.

Por lo tanto,

DILUCIONES

Es un proceso en el cual siempre se parte de una disolución concentrada a la cual se le adiciona mayor volumen de disolvente, esto ocasiona que se modifiquen la concentración y el volumen de la disolución resultante, pero que permanezca igual la cantidad de soluto empleada para preparar la disolución inicial.

En la dilución la cantidad de disolvente aumenta, la concentración disminuye, pero la masa del soluto permanece constante.

http://serendiphia.es/wp-content/uploads/2016/09/CalculoDisoluciones.jpg

A la pequeña cantidad tomada de las mismas soluciones se le llama ALICUOTA, con ellas se preparan nuevas disoluciones menos concentradas (con menor soluto).

PROCESO DE DILUCIÓN

La dilución es el procedimiento que se sigue para preparar una disolución menos concentrada a partir de una más concentrada, y consiste simplemente EN AÑADIR MÁS SOLVENTE.

De la solución más concentrada se toma una alicuota, al agregar más solvente la solución estarpa menos concentrada, sin embargo el NÚMERO DE MOLES DE LA ALICUOTA SE CONSERVAN.

MOLES DE SOLUTO ANTES DE LA DILUCIÓN=MOLES DE SOLUTO DESPUÉS DE LA DILUCIÓN.

*La cantidad de moles no cambia.

Utilizando el concepto de molaridad:

mv = moles de soluto

Por lo tanto:

m1 v1= m2 v2

Sin embargo, no solo es un proceso que se aplica a disoluciones cuya concentración se expresa como molaridad.

C1 V1 = C2V2

Ejemplo:

maginemos que tenemos un litro de solución acuosa de lejía (hipoclorito de sodio, NaOCl), cuya molaridad es 0,3 M (solución de la izquierda). 

Usando la fórmula de molaridad, podemos deducir que hay 0,3 moles de NaOCl.

 Ahora, como está muy concentrada, añadimos 1 litro más de agua (el solvente), hasta alcanzar el volumen de 2 L (solución de la derecha):

¿Qué ha cambiado? Las moles de NaOCl no cambian, puesto que no hemos añadido soluto. Lo que sí cambia es el volumen de la solución:

 pasa de 1 L a convertirse en 2 L.

 Por tanto, la molaridad cambia, y la volvemos a calcular:

Como vemos, la molaridad disminuye, puesto que estamos diluyendo la solución. SIEMPRE, DESPUÉS DE UNA DILUCIÓN, LA CONCENTRACIÓN DEBE SER MENOR.

Fuente: http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/64-dilucion.html

Propiedades coligativas 

Muchas de las propiedades de las disoluciones verdaderas se deducen del pequeño tamaño de las partículas dispersas. En general, forman disoluciones verdaderas las sustancias con un peso molecular inferior a 10⁴ Dalton. 

Algunas de estas propiedades son función de la naturaleza del soluto (color, sabor, densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, etc.). Otras propiedades dependen del disolvente, aunque pueden ser modificadas por el soluto (tensión superficial, índice de refracción, viscosidad, etc.). 

Sin embargo, hay otras propiedades más universales que sólo dependen de la concentración del soluto y no de la naturaleza de sus moléculas. Estas son las llamadas propiedades coligativas.

Las propiedades coligativas no guardan ninguna relación con el tamaño ni con cualquier otra propiedad de los solutos.

Son función sólo del número de partículas y son resultado del mismo fenómeno: el efecto de las partículas de soluto sobre la presión de vapor del disolvente.

Las cuatro propiedades coligativas son:

• descenso de la presión de vapor del disolvente
• elevación ebulloscopia
• descenso crioscópico
• presión osmótica

Coloides y suspensiones

Una suspensión es una mezcla heterogénea que contiene partículas grandes que se asientan por gravedad. 

• La arena en agua es un ejemplo de una suspensión. 

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias donde una sustancia está disuelta en la otra.

•  Un ejemplo de una solución es el agua salada.

Los coloides son mezclas homogéneas donde las partículas son lo suficientemente pequeñas para permanecer suspendidas. 

• Un ejemplo de esto es la gelatina, que permanece suspendida en el agua para formar un gel

Bibliografía 

Brown, LeMay, Bursten. Química la ciencia central. 9na Edición. Prentice Hall. México. 

http://solucionespropiedadescoligativas.blogspot.com.co/2015/11/presionosmotica.html 

UAM, Química Física Aplicada. «concentración»

Chang, Raymond (2007). Química (10a ed. edición). México:McGraw-Hill.