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Practica 5 de QdS solubilidad ...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de formación básica Laboratorio de Química de Soluciones

Pérez Nieto Juan Oswaldo Practica no. 5: “Solubilidad”

Profe. Ing. Ortiz Rosas Gustavo Periodo 2021/1 (Septiembre-Febrero)

Practica No. 5 Solubilidad

Objetivos General: Caracterizar la curva de solubilidad de una sal en agua, así como identificar las sustancias solubles e insolubles.

Objetivos particulares: Identificar las características afines que deben tener las sustancias para disolverse en un disolvente determinado. Aplicar el coeficiente de solubilidad en la preparación de soluciones saturadas y realizar secuencias experimentales para identificar sustancias solubles y no solubles. Valorar la importancia de la información cualitativa y cuantitativa del coeficiente de solubilidad.

Introducción

Dentro de los diversos tipos de soluciones que se manejan en la industria química, están aquellas formadas a partir de solutos sólidos y disolventes líquidos, tales como agua, alcohol, benceno, etc.; sin embargo, al tratar de preparar este tipo de soluciones se tiene que los solutos pueden ser solubles o insolubles en el disolvente considerado. Esta situación depende en gran medida de la afinidad química entre el par soluto-disolvente, entendida en términos de la polaridad del enlace químico y la geometría espacial de ambas sustancias, Para el caso de las sustancias solubles en un disolvente determinado, se usa el concepto denominado solubilidad para indicar la máxima cantidad de soluto que se disuelve (satura) en cierta cantidad de dicho disolvente y se expresa mediante una razón cuyo valor se modifica por efecto de la temperatura o la presión. El llamado coeficiente de solubilidad se define como la máxima cantidad de soluto, expresada en partes en masa, que se puede dispersar en 100 partes en masa del disolvente a una temperatura definida. La dependencia del coeficiente de solubilidad con la temperatura se expresa mediante la curva de solubilidad, la cual es característica para cada soluto. A partir de la solubilidad y su correspondiente curva de solubilidad se pueden reconocer tres tipos particulares de solución:

1. Solución no saturada, aquella en la cual el soluto (o fase dispersa) y el disolvente (o fase dispersante) no han alcanzado el equilibrio de fases señalado por el respectivo coeficiente de solubilidad a la temperatura dada; es decir, la masa de disolvente presente es capaz de admitir una cantidad adicional de soluto hasta alcanzar su saturación. Por ejemplo, se sabe que a 10ºC, una masa de 100g de agua es capaz de disolver 37,5g de NaCl a dicha temperatura; así, una disolución que contenga solo 20g de NaCl en 100g de agua se considera no saturada. 2. Solución saturada, es aquella disolución que presenta un equilibrio entre las fases dispersa y dispersante, por lo que a esta temperatura la masa del disolvente presente ya no es capaz de disolver más soluto. Por ejemplo, en referencia a los datos anteriores, una disolución acuosa saturada de NaCl a 10°C es aquella que contiene exactamente 37,5g de NaCl disueltos en 100g de agua.

3. Solución sobre saturada, la cual representa un tipo de disolución inestable ya que contiene una masa de soluto disuelto mayor que la permitida para la temperatura dada. Así, por ejemplo, una disolución acuosa sobresaturada será aquella que contenga 40g de NaCl en 100g de agua a la temperatura de 10°C.

Hojas de seguridad Hoja de seguridad del Cloruro de Amonio https://www.carlroth.com/medias/SDB-K298-ES-ES.pdf? context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyNTE2MzF8YXBw bGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oYzYvaDIxLzkwMD cyMzY5MDcwMzgucGRmfGNjNzJiYjNmNzNkNjAxZDc3NzhhMjI2ZmY5YTI1 NTAxM2IzM2Y4YWVhMzM2YmRlYzIyZjE1NTRjOGUwMjk1YTQ Hoja de seguridad del Acido Borico http://iio.ens.uabc.mx/hojas-seguridad/acido%20borico.pdf Hoja de seguridad del carbonato de calcio https://www.carlroth.com/medias/SDB-P012-ES-ES.pdf? context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyMzc2MDd8YXBw bGljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oOGMvaDEzLzg5N zIzMDQzODQwMzAucGRmfDVjNGM2ODNlMDBkZWMwYTk0N2JmMzczOD U4MGQ1OTZiY2Q0N2UzNzA5NDhmMDQ0ZjRmM2Y4ZDg5N2VlNjAzMzY Hoja de seguridad del Cloruro de Bario https://www.carlroth.com/medias/SDB-5051-ES-ES.pdf? context=bWFzdGVyfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0c3wyMjEwNjh8YXBwb GljYXRpb24vcGRmfHNlY3VyaXR5RGF0YXNoZWV0cy9oMDQvaGFkLzg5NT A5MzgyMzkwMDYucGRmfDdjYzJiODMyMjE5Yjk3MjhkODdkNTRlOTVkOTI3Z WZmMDY0YzVkMmZjNmFmZGE2Y2Q3NGVhMTk5ZGQ0NWQ0ZGI Hoja de seguridad del acido ortofosforico http://www.regenciaquimica.ucr.ac.cr/sites/default/files/Acido %20fosfórico.pdf Hoja de seguridad del Acido Picrico http://www.regenciaquimica.ucr.ac.cr/sites/default/files/Acido %20fosfórico.pdf

ACTIVIDADES PREVIAS Solubilidad La solubilidad es la capacidad de una sustancia de disolverse en otra llamada disolvente. También hace referencia a la masa de soluto que se puede disolver en determinada masa de disolvente, en ciertas condiciones de temperatura, e incluso presión (en caso de un soluto gaseoso). La solubilidad la podemos encontrar en diferentes mezclas como por ejemplo en el ion común es muy difícil encontrar ya que el ion común es principal en la solubilidad. Si en una disolución no se puede disolver más soluto se dice que la disolución está saturada. Bajo ciertas condiciones la solubilidad puede sobrepasar ese máximo y pasa a denominarse solución sobresaturada. Por el contrario, si la disolución admite aún más soluto, se dice que se encuentra insaturada No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven en agua. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico. Los compuestos poco reactivos, como las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados tienen menor solubilidad. El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del solvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del solvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.

DISGREGACIÓN Tratamiento de la muestra sólida con un disolvente adecuado, a temperatura lo suficientemente elevada para provocar la fusión del mismo y mediante el cual se consigue que la muestra o parte de ella se transforme en otros compuestos sólidos más fácilmente solubles. Un material puede disgregarse o separarse físicamente por la acción del agua, de la temperatura, de excrementos de aves, etcétera, volviéndose más vulnerable. Las rocas suelen disgregarse o fragmentarse en pequeños trozos del mismo material. Químicamente, en el caso de las muestras sólidas que no se disuelven fácilmente, pueden disgregarse por vía húmeda o seca, para obtener partículas más pequeñas, previamente a su disolución en ácidos o agua, para facilitar el proceso.

Marcha analítica En Química analítica la marcha analítica es un proceso técnico y sistemático (una serie de operaciones unitarias), de identificación de iones inorgánicos en una disolución mediante reacciones químicas en las cuales se produce la formación de complejos o sales de color único y característico. Los cationes se analizan en disolución; por tanto deben ser solubilizados previamente si están en estado sólido; además, si están formando complejos orgánicos o inorgánicos, se dificulta su separación. Se emplean reactivos comunes como el cloruro, sulfuro, NaOH, amoniaco y similares, que separan grupos de cationes; cada reactivo produce un precipitado, que debe separarse, y una disolución con los cationes restantes. En dichos grupos se realizan identificaciones individuales mediante reactivos más específicos, como la dimetilglioxima, cuprón, Montequi... La marcha analítica clásica es la del ácido sulfhídrico para los cationes o marcha de Bunsen. El sulfuro es muy efectivo porque presenta numerosos precipitados y complejos, algunos coloreados como los de Cd, Mn, As y Zn; sin embargo, es un compuesto tóxico y se han propuesto marchas sistemáticas alternativas, como la del carbonato. Existen también marchas analíticas para aniones.

Producto de solubilidad El producto de solubilidad o producto iónico Ksol o Ks (antiguamente denominado Kps) de un compuesto iónico es el producto de las

concentraciones molares (de equilibrio) de los iones constituyentes, cada una elevada a la potencia del coeficiente estequiométrico en la ecuación de equilibrio:

Donde [C] representa a un catión, [A] a un anión y [m] y [n] son sus respectivos índices estequiométrico. Por tanto, atendiendo a su definición su producto de solubilidad se representa como:

El valor de KSOL indica la solubilidad de un compuesto iónico, es decir, cuanto menor sea su valor menos soluble será el compuesto. También es fácilmente observable que si aumentamos la concentración de uno de los componentes o iones (por ejemplo, añadiendo una sustancia que al disociarse produce ese mismo ion) y alcanzamos de nuevo el equilibrio, la concentración del otro ion se verá disminuida (lo que se conoce como efecto ion común). Hay dos formas de expresar la solubilidad de una sustancia: como solubilidad molar, número de moles de soluto en un litro de una disolución saturada (mol/L); y como solubilidad, número de gramos de soluto en un litro de una disolución saturada (g/L). Todo esto ha de calcularse teniendo en cuenta una temperatura que ha de permanecer constante y que suele ser la indicada en las condiciones estándar o de laboratorio (P = 101 kPa, T = 25ºC).

Solubilidad del ÁCIDO BÓRICO Su solubilidad en agua es igual a 5x10^4 mg/L a 25°C. Es soluble en glicerol, etilenglicol, metanol, etanol, acetona y etilacetato. Se descompone al calentarse por encima de los 100 °C, produciendo agua y anhídrido bórico irritante. Su solución en agua es un ácido débil. Su pH en una solución 0.1M es igual a 5.1. Es incompatible con carbonatos básicos e hidróxidos.

Solubilidad del CLORURO DE BARIO Cloruro de bario es un compuesto inorgánico de fórmula BaCl2. Es una de las sales solubles en agua más importantes de bario. Al igual que otras sales de bario, es tóxica y da una coloración azul-verde a la llama. También es higroscópico. Solubilidad en agua

35,8 g/100 mL (20 °C)

Solubilidad del CLORURO DE AMONIO El cloruro de amonio, cloruro amónico o clorhidrato amónico es una sal de amonio cuya fórmula química es NH4Cl. Es una sal cristalina blanca que es altamente soluble en agua. Las disoluciones de cloruro de amonio son ligeramente ácidas. Solubilidad en agua o o o o o

244 g/L (−15 °C) 294 g/L (0 °C) 383,0 g/L (25 °C) 454,4 g/L (40 °C) 740,8 g/L (100 °C)

Ejemplos de sustancias o materiales solubles: - Azúcar. - Sal. - Alcohol. - Vinagre. - Tinta. - Pintura. - Jugo de limón. - Jabón. - Detergente para lavar la loza. Ejemplos de materiales o sustancias no solubles:

- Aceite. - Arena. -Harina. - Cera. - Arroz. - Plata. - Gasolina. - Plastilina.

Actividad 1: “Coloca 3.0 mL de agua en cada tubo de ensaye y agregar 0.1g (pizca) del soluto sólido indicado, agitar levemente y observar cuál es soluble”.

Soluto solido Carbonato de calcio Acetato de amonio Óxido de hierro III Fosfato de sodio Ácido pícrico Azufre Nitrato férrico Polietileno

Si

¿Se disolvió en agua?

No

Soluto

S olución

Observación

Conclusión

Al entrar en contacto Es una con el agua se pintó solución de amarillo la No soluble. solución. H2O

H2O

H2O

H2O

CaCO3

NH4C2H3O2

Fe2O3

H3PO4

CaC O3+ H2O Al unir las sustancias estas permanecieron incoloras.

Es una solución Soluble.

El agua tomo el

Es una Solucion No soluble

NH4C2H3O2 + H2O

Fe2O3 + H2O

H3PO4 + H2O

color del óxido de hierro (II), Tornándose Marrón.

Cuando se mezcló Es una esta solución hubo solución un cambio de color Soluble. a ligeramente rosa.

Disposición El residuo debe enviarse a una plante de manejo de residuos, ya que puede ser peligroso al medio ambiente. Mantenerlo en Recipientes bien cerrados, Ambiente seco y Temperatura ambiente. Debe almacenarse en recipientes bien cerrados en áreas frescas bien ventiladas, con temperaturas superiores a 140°F Debe almacenarse estando alejado de bases fuertes o magnesio

H2O

H2O

C6H3N3O7

S(Azufre)

C6H3N3O7 + H2O

S + H2O

Esta solución tomo un color amarillo canario pintando también las paredes del tubo de ensaye, al ser una solución peligrosa este se tenía que mantener alejado porque desprendía un olor fuerte. Este no cambio de color, el solvente solo quedo en la parte inferior del tubo.

Es una solución Soluble.

Almacenar en un lugar ventilado, seco y fresco, alejado de áreas con riesgo de fuego, separar en cantidades pequeñas

Es una solución Soluble.

Almacenar en áreas frescas y ventiladas, en recipientes bien cerrados y alejados de la humedad. en área color amarillo Almacénese (oxidantes), Mantenga el producto en zonas ventiladas. Puede tirarse en la

Este al mezclarse Es una no cambio de color, solución se mantuvo incolora Soluble. H2O

H2O

Fe(NO3)3

Polietileno (C2H4)n

Fe(NO3)3 +H2O

(C2H4) n +H2O

Con el polietileno no Es una cambio de color, solución solo se veía el No soluble pedazo de polietileno dentro del tubo con agua

basura “es reciclable”

Actividad 2“Pesa una muestra de 10g de azúcar y agrégala poco a poco en un vaso de precipitados de 50 mL que contenga 5 mL de agua hasta que al agitar ya no se disuelva más azúcar. Pesa el azúcar residual y determinar la cantidad que se disolvió”. Soluto

Azúcar ( C12H22O11)

S o lv e n te

H2O

Solución

O b s e rv a c ió n

Conclusión

D is p o s ic ió n

Al agregar porciones de azúcar al agua

Es una solución sobresaturada

Este se pued desechar en el

esta se diluía

porque no se

ambiente ya

completamente

disolvió

que no hace

C12H22O11

pero al

totalmente al

daño alguno

+ H2O

empezar a

quedar

tener más

pequeños

soluto a el

cristales.

agua le resulto más difícil hacerlo.

medio

Tabla proporcionada por la academia en la página del laboratorio, para el desarrollo de la práctica por la Ing. Rosa Del Carmen López Francisco

Actividad 3 “Con base en las curvas de solubilidad preparadas, determina la masa de soluto necesario para saturar 20.0 g de agua a la temperatura señalada y prepara uno de los sistemas señalados en la siguiente distribución de datos” WtSo NH 4 Cl a 0 ° C=( 29.4 g NH 4 Cl )

(

)

20 g H 2 O = 5.88 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 10 ° C=( 33.3 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =6.66 g NH4 Cl necesarios 100 g H 2 O

)

WtSo NH 4 Cl a 20 ° C=( 37.2 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =7.44 g NH4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 30 ° C=( 41.4 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =8.28 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 40 ° C=( 45.8 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =9.16 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 50 ° C=( 50.4 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =10.08 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 60 ° C=( 55.2 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =11.04 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 70 ° C=( 60.2 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =12.04 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 80 ° C=( 65.6 g NH4 Cl)

(

20 g H 2 O =13.12 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

WtSo NH 4 Cl a 90° C=( 71.3 g NH 4 Cl)

(

20 g H 2 O =14.26 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

) )

) ) ) ) )

WtSo NH 4 Cl a 100 ° C=( 15.46 g NH 4 Cl)

)

(

)

20 g H 2 O =15.46 g NH 4 Cl necesarios 100 g H 2 O

W=3008 gr

W sol`n remate

Cs=504 T=50ºC

Cs= 33.3 T=10ºC

W cristales

Balance de masa general W1= W2 + W3 30.08= W2 + W3 Despejando W3.

W3 = 30.08-W2

Balance de masa por soluto W1FC1 = W2FC2 + W3 W1FC1 = W2FC2 + (30.08-W2) Sustituyendo 28.72

50.4 33.3 ( 150.4 )=W 2 (133.3 )+30.08−W 2

9.6242= 0.2498W2 + 30.08 – W2 Despejando W2

−9.6242 ( 30.081−.2498 )=27.2671 gr de sol. sat .

W 2=

W3= 30.08-27.2671 W3 = 2.8129 gr de cristales teoricos Eficiencia de cristalización Suponiendo que 1.8 gr es el peso de los cistales obtenidos experimentalmente . exp ( 100) . ( cc .obt . teoricos )

n=

n=

1.8 gr ( 100 ) . n=63.99 % ( 2.8129 gr )

Conclusiones: Con esta práctica se puede concluir aunado a lo visto en clase que la solubilidad por efecto de la temperatura varía dependiendo si el soluto es soluble o no en un determinado solvente. Junto con esto que la solubilidad por efecto de la temperatura depende de la cantidad de soluto en el solvente y de otras variables como la presión. En la gráfica experimental hay valores que no se ajustan del todo a a una recta debido a que las concentraciones a una temperatura dada no están muy cercanas, considerando un bajo margen o porcentaje de error. Un aumento de temperatura produce una mayor saturación de soluto en la solución. Esto se cumple en el sistema utilizado en el laboratorio. Una baja temperatura de fusión y un bajo calor de fusión, favorecen la solubilidad.

Observaciones: - Los valores salen muy parecidos a la relación lineal y los dotos que nos da la tabla de referencia que nos proporciono la academia del laboratorio, por lo que se puede ver la relación de la curva y la relación lineal - En el caso de NH4Cl salen puntos muy cercanos a la recta que debería ser, Debido a que fueron datos proporcionados con un mínimo o nulo margen de error - La mayoría de las veces la solubilidad de un compuesto aumenta cuando aumenta la temperatura del disolvente. - Se dice que una solución está saturada cuando el soluto ya puede disolverse en el solvente. - Al evaporar una solución debe quedar sólo el soluto, ya que el que se evapora es el solvente.

Pérez Nieto Juan Oswaldo

Referencias Whitten, K. W., Gailey, K. D., Davis, R. E., de Sandoval, M. T. A. O., & Muradás, R. M. G. (1992). Química general. McGraw-Hill. Brown, T. L., LeMay Jr, H. E., Bursten, B. E., & Burdge, J. R. (2004). Química: la ciencia central. Pearson educación. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2013). química....