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Material sobre disoluciones y velocidad de reacción...

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UT 3: DISOLUCIONES

1. 2. 3. 4.

MEZCLAS Y DISPERSIONES SOLUBILIDAD TIPOS DE DISOLUCIONES FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN DE LAS SUSTANCIAS. 5. CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN. FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN 6. DILUCIONES

1. MEZCLAS Y DISPERSIONES 1.1.

MEZCLAS

Cuando tomamos dos o más sustancias y las agitamos conjuntamente, si no tiene lugar ninguna reacción química, lo que hemos obtenido es una mezcla. Las principales características de las mezclas son: - cada sustancia conserva su propia identidad, es decir, ninguna sustancia se ha transformado en otra diferente; - la composición de una mezcla es muy variable: podemos hacer un número infinito de mezclas distintas de arena y cemento variando la proporción de cada componente. También puede ser muy variable el tamaño de las partículas de las sustancias mezcladas: el barro es una mezcla donde podemos encontrar sustancias divididas en iones (las sales disueltas), moléculas (agua), partículas sólidas microscópicas de tierra, pequeños granos de arena y algunas piedras de varios milímetros o incluso centímetros de diámetro.

1.2.

DISPERSIONES

Una dispersión es una mezcla de dos o más sustancias en las que las partículas de una de ellas se hallan distribuidas en el seno de la otra. La primera fase recibe el nombre de fase dispersa, y la segunda, fase dispersante. Las dispersiones se clasifican atendiendo al tamaño de las partículas de la fase dispersa. Así encontramos: - Suspensiones. Cuando la fase dispersa está formada por partículas de más de 1000Å (1Å = 10-8 cm). Estas partículas son agregados de moléculas y pueden verse a simple vista. Los componentes de una suspensión frecuentemente se separan espontáneamente de la fase dispersante. Si las diferencias de densidad son suficientes y la suspensión es lo bastante fluida, al mantenerla en reposo durante algún tiempo, los componentes más pesados sedimentan. Esto sucede, por ejemplo, al mezclar agua y barro y dejar la suspensión resultante en reposo en un vaso. Se dice que una suspensión es un sistema heterogéneo ya que no presenta las mismas propiedades en todos sus puntos. - Dispersiones coloidales. También llamadas coloides, son aquellas suspensiones en las que el tamaño de partícula de la fase dispersa está comprendido entre 10 y 1000Å. Hay dos tipos de coloides: soles (coloide líquido: clara de huevo) y geles (coloide sólido o semisólido: clara de huevo cocido). - Dispersiones iónicas o moleculares: disoluciones. Una disolución es una dispersión en la que las partículas de fase dispersa tienen menos de 10Å de diámetro. Deben ser, por tanto, iones o moléculas pequeñas. Las disoluciones son mezclas homogéneas de composición variable, en las que no se producen sedimentaciones. El hecho de tener una composición variable, las distingue de las sustancias químicas puras, que tienen composición fija. En las disoluciones al componente más abundante no se le suele llamar fase dispersante, sino disolvente, y a cada componente de la fase dispersa se le denomina soluto.

Podemos preparar diferentes tipos de disoluciones en las que el disolvente y los solutos pertenezcan a la misma o a distintas categorías de las siguientes: sólidos, líquidos y gases. Por ejemplo, el agua del mar es una disolución de sólidos (varias sales como NaCl, MgCl2, etc) y gases (CO2, O2 y otros) en un líquido (agua). A partir de ahora nos centraremos en el tipo de disoluciones que más nos interesan, aquellas en las que el disolvente es un líquido, y especialmente, en las que el disolvente es agua.

SOLUTO

DISOLVENTE

GAS LÍQUIDO SÓLIDO

GAS Aire seco NH3(g) en agua H2(g) en platino.

LIQUIDO Aire húmedo Alcohol + agua Hg(l) en cobre

SÓLIDO Partículas en aire Sal en agua Aleaciones

2. SOLUBILIDAD Definimos la solubilidad como la cantidad máxima de soluto que puede contener de forma estable un volumen determinado de disolución (¡ojo! No de disolvente). Suele expresarse en gramos de soluto por litro de disolución. La solubilidad de los gases en los líquidos suele disminuir al aumentar la temperatura, y por lo tanto se desprende de la disolución. Por ejemplo, un vaso de agua con gas bien fría, va desprendiendo burbujas a medida que va adquiriendo la temperatura ambiente. Por el contrario, la solubilidad de los sólidos en los líquidos con frecuencia aumenta al elevarse la temperatura. Por ejemplo, la solubilidad del KCl es 32g/100g agua a 20ºC y 38g/100g de agua a 40ºC.

3. TIPOS DE DISOLUCIONES Las disoluciones se clasifican en insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Una disolución está insaturada de un soluto determinado cuando la concentración de ese soluto es inferior a la solubilidad del mismo. Es decir, una disolución insaturada de un soluto todavía podría disolver más cantidad de ese soluto. Decimos que una disolución está saturada de un soluto cuando la concentración de ese soluto es igual a su solubilidad. Por lo tanto, una disolución saturada ya no puede disolver más soluto.

Una disolución sobresaturada, es aquella en la que el soluto tiene una concentración superior a su solubilidad. Estas disoluciones son poco estables y con el tiempo o con una ligera perturbación desprenden el soluto que está disuelto en exceso, con lo cual la disolución pasa a ser saturada. Si el soluto es un sólido, se produce un precipitado del mismo. Si es un gas, se desprenden burbujas, como en el caso de las bebidas espumosas cuando se las deja reposar en un vaso.

4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN DE LAS SUSTANCIAS El proceso de disolución de una sustancia es un fenómeno complejo sobre cuya velocidad pueden influir diversos factores. Entre ellos destacan: Temperatura: cuanto más elevada es la temperatura, más rápidamente se disuelven los solutos sólidos. De forma general, un aumento de temperatura aumenta la solubilidad de un sólido. Grado de división del sólido: la velocidad de disolución de un trozo de soluto sólido aumenta si lo rompemos en varios trozos y más aún si lo pulverizamos. Esto se debe a que aumenta la superficie de contacto entre el soluto y el disolvente. Agitación: la agitación aumenta la velocidad de disolución de los solutos.

5. CONCENTRACIÓN. FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN Cuando preparamos una disolución, además de conocer las sustancias que la componen, debemos conocer en qué cantidades se encuentran, es decir, debemos conocer su concentración. Se define la concentración de una disolución como la relación existente entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente o disolución.

Cantidad de soluto Concentración = ----------------------------------Cantidad de disolución Es importante destacar que la proporción que existe entre el soluto y el disolvente no depende de la cantidad de disolución que se examine, puesto que el soluto cuando se disuelve, se reparte por igual en todo el volumen de disolución. Por tanto, existirá igual concentración en 1 cc de una disolución, que en un litro o 1 m3 de ella. Para expresar la concentración de una disolución se pueden emplear distintas formas: a) FRACCIÓN MOLAR Y PORCENTAJE MOLAR Se define fracción molar de un soluto determinado como el número de moles de ese soluto que hay en la disolución dividido entre el número de moles totales. Se representa por χ.

Supongamos una disolución formada por dos componentes, a y b; la fracción molar vendrá dada por: moles de a χa = ---------------------------------moles de a + moles de b moles de b χb = ---------------------------------moles de a + moles de b El porcentaje molar (% molar) es igual a la fracción molar multiplicada por 100. Además, se cumple, que la suma de las fracciones molares de todos los componentes de una disolución equivale siempre a uno. Calcular la fracción molar del hidróxido sódico en una disolución que se ha formado pesando 5gr de soluto y 100gr de agua. Calcula el % molar y comprueba que la suma de las fracciones molares de todos los componentes es igual a 1. Sol: 0’02; 2%. b) PORCENTAJES O TANTO POR CIENTO (%): Existen varias formas de expresar la concentración de una disolución en porcentaje: 

porcentaje peso-peso: se define como el número de gramos o kilogramos de soluto que hay por cada 100gr o Kgr de disolución

Gr de soluto % p/p = -------------------------- · 100 Gr de disolución Esta forma de expresar la concentración se utiliza en disoluciones muy concentradas y en mezclas sólidas. Se analizan 3’24gr de un mineral de zinc y se vio que contenían 0’71gr de éste. Calcular el % en peso de zinc que contiene el mineral. Sol: 21’9%



porcentaje en volumen: se define como el número de cc o mililitros de soluto que hay por cada 100cc o ml de disolución.

cc de soluto % v/v = ----------------------------- · 100 cc de disolución

Esta forma de expresar la concentración se usa para disoluciones de líquidos en líquidos (etanol en agua) y en bebidas alcohólicas se denomina graduación alcohólica. ¿Qué cantidad de alcohol habrá usado para preparar 1000 litros de ron si la graduación alcohólica es del 15%?. Sol: 150 litros



porcentaje peso-volumen: se define como los gramos de soluto que hay en 100cc de disolución. Gr soluto % p/v = ------------------------ ·100 Cc disolución

Esta forma de expresar la concentración se usa para disoluciones formadas a partir de un soluto sólido y un disolvente líquido. Se quiere preparar ½ litro de suero salino, que es cloruro sódico al 0’9% en agua. ¿Cuántos gr de cloruro sódico tendremos que pesar?. Sol: 4’5gr 

relación entre porcentajes: es muy frecuente encontrar una concentración expresada en % p/p y que sea necesario transformarla en % p/v, o viceversa. Para ello es necesario conocer la densidad de la disolución (d). % p/v = % p/p · d

% p/v = % v/v · d

c) MOLALIDAD Se define como el número de moles de soluto que hay por cada kilogramo de disolvente. Se representa por “m”, y matemáticamente, viene dado por la siguiente expresión: Moles de soluto m = ---------------------------kg disolvente

Donde moles soluto = gr soluto/Pm

Así, una disolución que es 0’5molal, es una disolución que contiene 0’5moles por cada kg de disolvente. Se prepara una disolución azucarada mezclando 12gr de glucosa (C6H12 O6) con 95gr de agua. Calcular la concentración de esa disolución expresada como molalidad. Sol: 0’69m. d) MOLARIDAD Se define como en número de moles de soluto que hay por cada litro de disolución. Se representa por M, y matemáticamente responde a la siguiente expresión: Moles soluto M = --------------------------Litros disolución Esta es una de las formas más frecuentes de expresar la concentración de una disolución. 1. ¿Cuál es la molaridad de una disolución que contiene 41’92gr de ácido sulfúrico en 3’6 litros de disolución?. Sol: 0’118M 2. Calcular la cantidad de hidróxido de sodio que tendré que pesar si quiero preparar 250cc de una disolución de hidróxido de sodio que sea 0’5M?. Sol: 5gr El ejemplo que acabamos de ver es el más sencillo, pues se trata de preparar disoluciones partiendo de reactivos puros. Pero en el laboratorio de química lo normal es que el reactivo no sea puro, debido a que vienen acompañados de otras sustancias que a nosotros no nos interesan y que denominamos impurezas. La riqueza y la pureza de un reactivo químico es lo mismo. Por ejemplo, si partimos de un reactivo sólido en cuya etiqueta se lee que su pureza es del 60%, significa que en 100 partes o 100gr de ese reactivo, 60gr son puros y el resto son impurezas. Calcular los gramos de hidróxido de sodio que tendré que pesar para preparar ½ litro de una disolución 0’5M, sabiendo que el reactivo de partida tiene una pureza del 60%. Sol: 16’6gr Cuando miramos la etiqueta de un reactivo, nos podemos encontrar que la riqueza de ese reactivo la dan como un intervalo, es decir (99’4% - 99’8%). En ese caso, los cálculos se realizan con el valor más bajo. En otros casos lo que aparece es un valor mínimo de riqueza, por ejemplo, la riqueza mínima es del 99’5%, significa que el fabricante sólo garantiza que la pureza es por lo menos del 99’5%.

Otro tipo de situación muy frecuente que nos vamos a encontrar en un laboratorio a la hora de preparar disoluciones, es que el reactivo de partida sea líquido y con una pureza determinada. Para preparar estas disoluciones, debemos conocer también la densidad de la disolución. ¿Qué cantidad (volumen) de ácido clorhídrico de 1’18gr/cc de densidad y riqueza del 35%, necesitaré para preparar ½ litro de una disolución 0’1M?. Sol: 4’41cc e) NORMALIDAD Se define como el número de equivalentes-gramo de soluto que hay por cada litro de disolución. Se representa por la letra N, y matemáticamente viene dada por: Equivalente-gr soluto N = -----------------------------Litro disolución Donde:

eq-gr soluto = gr soluto/peso equivalente peso equivalente = Pm/valencia

Si sustituimos el ecuación anterior, quedará la siguiente expresión: Gr/Pm/valencia N = --------------------------Litros disolución

Esta última expresión tiene semejanza con la de la Molaridad; así, se puede establecer una expresión que relacione las dos formas de expresar la concentración de una disolución: N = M · valencia Dentro del concepto de normalidad, el término valencia va a tener distintos significados, así: - si el soluto es un ácido, la valencia será el número de H ácidos que contenga - si el soluto es una base, la valencia será el número de OH que contenga - si el soluto es un oxidante o un reductor, la valencia será el número de electrones que se transfieran - si el soluto es una sal, la valencia será igual al producto de la carga del anión por el número de aniones que haya.

1. Calcular la valencia de: - ácido clorhídrico - hidróxido de sodio - hidróxido de amonio - ácido fosfórico

- ácido sulfúrico - sulfato de calcio - nitrato de potasio - hidróxido de calcio - sulfato de aluminio - Fe 3+/Fe2+ Sol: 1, 1, 1, 3, 2, 2, 1, 2, 6, 1 2. Calcular la Normalidad de una disolución de carbonato de calcio que se ha preparado pesando 10gr del mismo en 500ml de disolución. Sol: 0’4N f) AGUA DE HIDRATACIÓN Muchas sustancias al cristalizar lo hacen acompañadas de una cierta cantidad de agua, de forma que esta agua es parte de la estructura cristalina del compuesto. A esta agua se la conoce como agua de hidratación; las sustancias que contienen agua de hidratación se las llama hidratos, y a las que no contienen agua se las conoce como anhidros. Las moléculas de agua que contenga, se expresan en la fórmula del compuesto. Por ejemplo, el sulfato de cobre al cristalizar coge 5 moléculas de agua (CuSO4 · 5H2O). La cantidad de agua debe ser tenida en cuenta a la hora de realizar cualquier cálculo numérico. 1. ¿Qué cantidad de sulfato de cobre anhidro necesitaré para preparar ½ litro de una disolución 0’2M?. Sol: 15’95gr 2. ¿Qué cantidad de sulfato de cobre pentahidratado necesitaré para preparar ½ litro de una disolución 0’2M?. Sol: 24’95gr g) CONCENTRACIÓN EN PARTES POR MILLÓN (ppm) Esta forma de expresar la concentración aparece en disoluciones muy diluidas y se calcula empleando la siguiente expresión: - para mezclas sólidas, la relación es p/p: gr soluto ppm = ------------------------ · 106 gr disolución ___________________________ 1 ppm = 1mg/kg

- para disoluciones, la relación es p/v: gr soluto ppm = --------------------- · 106 cc disolución 1 ppm = 1 mg/l

Calcular la concentración de una disolución en ppm, que se ha preparado a partir de 7mg de soluto en ½ litro de disolución. Sol: 14ppm h) GRAMOS/LITRO Es otra forma muy usual de expresar la concentración de una disolución, y se define como los gramos de soluto contenidos en un litro de disolución. Matemáticamente:

gr soluto gr/l = -----------------------litro disolución

Es muy importante no confundir la concentración de una disolución expresada en g/l (masa de soluto por litro de disolución), con su densidad, la cual también puede expresarse en g/l (masa de disolución por litro de disolución). ¿Cuántos gramos de soluto por litro de disolución tendrá una disolución que es 2M en nitrito de sodio. Sol: 138gr/l i)

Relaciones entre las distintas formas de expresar la concentración de una disolución.

Hay una expresión matemática que relaciona las distintas formas de expresar la concentración de una disolución y que simplifica mucho los cálculos. : Pm % (p/p) · d · 10 = gr/l

× Val M

× 1000 ppm

N

1. Calcular la concentración en gr/l, M y N de una disolución de ácido sulfúrico cuya riqueza es del 80% y tiene una densidad de 1’8gr/cc. Sol: 1440gr/l; 14’6M; 29’3N 2. Calcular la concentración M, N y en gr/l, de una disolución de carbonato de sodio de 100ml de volumen, que se ha preparado pesando 10gr del reactivo cuya riqueza es del 60%.

6. DILUCIONES El término diluir significa pasar de una disolución más concentrada a otra menos concentrada. Lo normal para realizar este proceso es ir añadiendo más cantidad de disolvente a la disolución concentrada, es decir, se mantiene la misma cantidad de soluto, solo que está contenida en una mayor cantidad de disolvente o de disolución. Así, su concentración cambia sin que varíe el número de moles de soluto. Si partimos de una disolución cuya concentración está expresada como molaridad, sabemos que se cumple: nº moles soluto don concentrada = nº moles soluto don diluida Sabemos que la Molaridad de una disolución viene dada por el nº moles soluto dividido por el volumen de disolución; despejando los moles, queda: nº moles = M · V., y sustituyendo, queda: (M · V)disolución concentrada = (M · V)disolución diluida

1. Si tenemos una disolución de ácido clorhídrico de concentración 0’1M y volumen 100ml, ¿cuál será su nueva concentración si añadimos ½ litro de disolvente?. Sol: 0’016M 2. a) ¿Qué volumen de agua tendré que adicionar a 250ml de una disolución de ácido nítrico cuya concentración es 1M, si quiero tener otra disolución cuya concentración sea 10 veces menor?. (Sol: 2’25litros) b) ¿Qué cantidad de soluto habrá en cada disolución? (Sol: 15’75gr) En general, se cumple: (C · V) disolución concentrada = (C · V) disolución diluida

: A partir de una disolución madre de 250ppm de K, se quieren preparar 4 disoluciones de 100ml cada una y de concentraciones 1, 2, 5 y 10ppm. ¿Qué volumen de disolución madre hemos de tomar para preparar cada dilución?. (Sol: 0’4, 0’8, 2, 4ml)...