SOLUCIONES

DESTILACIN DE SOLUCIONES

El esquema adjunto es un sistema de destilacin simple utilizado frecuentemente en laboratorios e industrias. La destilacin es el procedimiento ms utilizado para la separacin y purificacin de soluciones lquidas. Se fundamenta en la diferencia en los puntos de ebullicin de los lquidos a separar y consiste en llevar a ebullicin el ms voltil, para luego condensarlo (refrigerante) y separarlo de la mezcla. Cuando la diferencia en los puntos de ebullicin es pequea es poco probable la separacin. Se obtiene una mezcla de ambos y la purificacin no es efectiva. Se dice en este caso que se obtiene una mezcla azeotrpica. En estas circunstancias se introduce presin al sistema para favorecer la destilacin.

CURSO: QUMICA COMN MATERIAL N 17

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SOLUCIONES

Dispersiones Son sistemas en los cuales una sustancia est diseminada, bajo la forma de pequeas partculas, en una segunda sustancia. La primera sustancia se denomina fase dispersa y la segunda, dispersante o fase dispersante. Las dispersiones se clasifican de acuerdo al tamao medio de las partculas dispersas:

Recordemos que: 1 m = 10-9 m y 1 = 10-10 m Soluciones Verdaderas De acuerdo a la clasificacin anterior, las soluciones verdaderas, que de ahora en adelante llamaremos simplemente soluciones, se pueden definir como: "mezcla homognea de dos sustancias", donde el disperso recibe el nombre de soluto y el dispersante, el nombre de solvente. Estas soluciones se pueden clasificar de diversas maneras segn el criterio que se utilice, algunos de ellos son: a) De acuerdo con el estado de agregacin de la solucin. Soluciones slidas : por ejemplo, aleacin Ni-Cu Soluciones lquidas : por ejemplo, alcohol en agua Soluciones gaseosas : por ejemplo, aire atmosfrico b) De acuerdo con los estados de agregacin de los componentes. Soluciones slido-slido : aleaciones metlicas Soluciones slido-lquido : sal en agua Soluciones slido-gas : naftaleno en aire Soluciones lquido-slido : mercurio en oro Soluciones lquido-lquido : alcohol en agua Soluciones lquido-gas : humedad en aire Soluciones gas-slido : H2 retenido en Pt en polvo Soluciones gas-lquido : gas carbnico en bebidas Soluciones gas-gas : todas las mezclas gaseosas

NOMBRE DE LA DISPERSIN TAMAO MEDIO DE LAS PARTCULAS DISPERSAS

Soluciones Verdaderas entre 0 y 1 m ( 0 a 10 )

Soluciones Coloidales entre 1 y 100 m ( 10 a 1000 )

Suspensiones sobre 100 m ( sobre 1.000 )

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c) De acuerdo con la proporcin entre soluto y solvente.

Soluciones diluidas: contienen poco soluto en relacin al solvente (por ejemplo: 10 gramos de sal comn por litro de agua)

Soluciones concentradas: contienen bastante soluto en relacin al solvente (por ejemplo:

300 gramos de sal comn por litro de agua) d) De acuerdo con la naturaleza del soluto.

Soluciones moleculares: cuando las partculas dispersas son molculas, por ejemplo, molculas de azcar (C12H22O11) en agua. Soluciones inicas: cuando las partculas dispersas son iones, por ejemplo, los iones de la sal comn (Na+ y Cl-) en agua.

Soluciones parcialmente inicas Hay muchas soluciones que presentan simultneamente molculas e iones dispersos, por ejemplo, en una solucin acuosa de cido actico (cido dbil) existen muchas molculas (CH3COOH) y pocos iones (CH3COO

- y H+) en solucin. Solubilidad Existe una regla muy general de solubilidad que dice "lo semejante disuelve a lo semejante". As, las sustancias inorgnicas (cidos, sales, bases, etc.) se disuelven en agua, que es un solvente inorgnico. Lo mismo ocurre con las sustancias orgnicas que en general, se disuelven en solventes orgnicos (por ejemplo, la parafina se disuelve en gasolina, y ambos son orgnicos). Recordemos que, en general, las sustancias inorgnicas son polares y las orgnicas son apolares, por lo tanto, la regla general de solubilidad se puede enunciar "una sustancia polar tiende a disolverse en un solvente polar y una sustancia apolar en un solvente apolar". La solubilidad es la cantidad de una sustancia (en general, en gramos) necesaria para saturar una cantidad patrn (en general, 100 g, 1000 g o 1 litro) de solvente, en determinadas condiciones fsicas de temperatura y presin. Ejemplos:

357 g de NaCl por litro de agua a 0C 1220 g de AgNO3 por litro de agua a 0C

2 g de CaSO4 por litro de agua a 0C

Cuando la solubilidad de una sustancia es prcticamente nula, diremos que la sustancia es insoluble en ese solvente, es el caso del cloruro de plata en agua, cuya solubilidad es de 0,014 gramos/litro. Cuando esto ocurra entre dos lquidos diremos que son inmiscibles, que es el caso del agua y el aceite.

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Cuando las sustancias se disuelven en cualquier proporcin (solubilidad infinita) diremos que ellas son totalmente miscibles, es el caso del alcohol con el agua. En funcin del punto de saturacin, las soluciones se pueden clasificar en:

Insaturadas : contienen menos soluto que el establecido por la solubilidad. Saturadas : contienen la cantidad mxima que establece la solubilidad. Sobresaturada : sobrepasa la cantidad de soluto que indica la solubilidad. Solubilidad (s) representa la masa de soluto en una cantidad fija de solvente. Puede ser en g/L, g/mL, g/100g, g/ 100 mL, etc. Ntese que el punto de saturacin representa un lmite de estabilidad. Consecuentemente las soluciones sobresaturadas slo pueden existir en condiciones especiales y, cuando existen, son siempre inestables, de hecho, en general basta agitar una solucin o adicionar un pequeo cristal del propio soluto (llamado germen de cristalizacin) para que todo el exceso de soluto precipite, y con eso la solucin sobresaturada vuelve a ser simplemente saturada. Factores que modifican la solubilidad a) La temperatura Al aumentar la temperatura, la solubilidad del slido en los lquidos generalmente tambin aumenta. Hay algunas excepciones, como Ce2(SO4)3 y, Na2SO4.

Por ejemplo: Solubilidad del KNO3 en 100 g de agua.

Temperatura

(C)

Solubilidad

(gramos)

0 13,3

10 20,9

20 31,6

30 45,8

40 63,9

50 85,5

60 110

70 138

80 169

90 202

100 246

aguadeg1003KNOdegS

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Un grfico que ilustra las variaciones de la solubilidad de distintos slidos en agua es:

Moles de soluto En 100 g de agua

La temperatura afecta distinto si la solucin es gas - lquido. Aumentando la temperatura, el lquido procura "expulsar" al gas y, consecuentemente, la solubilidad del gas disminuye rpidamente (en aguas "calientes" los peces no viven bien por falta de aire disuelto en el agua). b) La Presin. Slo afecta a sustancias en estado gaseoso y las soluciones de ste en un lquido. Aumentando la presin sobre el gas, aumentamos su solubilidad, as por ejemplo, el gas carbnico se disuelve a presin en las bebidas gaseosas y al destaparlas, se disminuye la presin y se expele el exceso de gas disuelto en relacin a la nueva presin. La presin tiene poco efecto sobre la solubilidad de lquidos en lquidos y de slido en lquido.

Solubilidad de oxgeno en agua en contacto con aire. La solubilidad a 30C es aproximadamente la mitad que a 0C

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c) Naturaleza del soluto y del solvente. Generalmente una sustancia polar es soluble en un solvente polar y una no polar es soluble en un solvente no polar. Lo semejante disuelve a lo semejante En general se pueden dar interacciones dipolo-dipolo, in-dipolo, dipolo-dipolo inducido. En el esquema se ejemplifica la formacin de una solucin con interaccin in-dipolo.

CONCENTRACIONES La concentracin de una solucin expresa de alguna manera la proporcin existente entre las cantidades de soluto y de solvente. A continuacin veremos las maneras ms importantes de expresar la concentracin de una solucin: Porcentaje masa-masa (% p/p) Indica los gramos de soluto que estn contenidos en 100 gramos de solucin. Ejemplo: Si se disuelven 20 gramos de un soluto X en 30 gramos de agua, la solucin tendra una concentracin igual a 40 % p/p (40 g de soluto por cada 100 de solucin). Porcentaje masa-volumen (% p/v) Indica los gramos de soluto que estn contenidos en 100 mL (o cc) de solucin. Ejemplo: Al disolver 60 g de un soluto determinado soluto en agua, se obtienen 300 ml de solucin, por lo tanto, su concentracin es de 20 % p/v (20 gramos de soluto por cada 100 ml de solucin).

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Ejercicios 1) Determine el volumen ocupado por 250 g. de un lquido de densidad 1,5 g/cm3. (R: 166 mL.) 2) Determine la masa de 200 mL de una solucin de densidad 1,2 g/mL. (R: 240 g.) 3) Determine la densidad de una sustancia si 260 g. de ella ocupan su volumen de 200 mL. (R: 1,3 g/mL.) 4) Calcule el % p/p de una solucin si en 500 g. de ella hay 15 g. de soluto puro. (R: 3% p/p.) 5) Calcule cunto soluto puro hay en 350 mL de una solucin al 6% p/v. (R: 21 g.) 6) Determine cuntos gramos de soluto hay en 200 cm3 de solucin de concentracin 6% p/p y densidad 1,05 g/mL. (R: 12,6 g.) Molaridad o Concentracin Molar (M) Indica los moles de soluto que estn contenidos en 1 litro de solucin. Ejemplo: Si se disuelven 10 g de NaOH (PM = 40 g/mol) en suficiente agua para obtener 200 ml de solucin). Cul sera la molaridad de la solucin? Primero, la molaridad es por litro de solucin (1000 ml) por lo tanto, por litro habrn 50 g de NaOH y, si un mol de NaOH pesa 40 g , entonces 50 g corresponden a 1,25 moles. La solucin es 1,25 M (contiene 1,25 moles de soluto por cada litro de solucin). Algunas frmulas de utilidad:

donde: % p/v = porcentaje peso-volumen % p/p = porcentaje peso-peso d = densidad PM = peso molecular del soluto n = moles de soluto V( ) = volumen de la solucin expresada en litros Ejemplo: Si una solucin acuosa de HNO3 (PM = 63) presenta una concentracin 12,6 % p/v, cul es su concentracin molar? Frmula: M = 12,6 10 = 2 M 63

% p/v = d % p/p

M = % p/v 10

PM

M=)(V

n

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Ejercicios. 1) Determine cuntos moles de soluto puro hay en 300 mL de solucin 0,2 M. (R: 0,06 moles.) 2) Determine cuntos gramos de soluto hay en 200 mL de solucin 2 M de HCl (R: 14,6 g.) 3) La densidad de una solucin acuosa de H2O2 es 1,11 g/mL y su concentracin es 30% p/p. Determine su concentracin molar (R: H2O2 9,8 M.)

Dilucin de Soluciones Diluir una solucin es agregarle ms solvente provocando as una disminucin de su concentracin. SOLUCIN 1 + SOLVENTE SOLUCIN 2 M1 , V1 , n1 M2 , V2 , n2 Analizando una dilucin tenemos que: M1 > M2 : la molaridad disminuye V1 < V2 : el volumen aumenta n1 = n2 : los moles de soluto son los mismos, ya que slo se agreg solvente Por definicin sabemos que la molaridad indica los moles de soluto (n) que estn contenidos en 1 litro (v) de solucin.

Esto es : M = Vn

, por lo tanto: n = M V

Si los moles de soluto no cambian al agregar solvente, entonces:

n1 = n2 ECUACIN DE DILUCIN

M1 V1 = M2 V2

Nota: Esta ecuacin se puede ocupar para toda concentracin que contemple volumen (y no por ejemplo con % p/p el cual habra que transformarlo en % p/v primero). Ejemplo: A 20 ml de una solucin acuosa de NaClO 4,8 M, se le agregan 80 mL de agua, cul ser la concentracin molar de la solucin resultante? M1 = 4,8 M M1 V1 = M2 V2 V1 = 20 ml M2 = X 4,8 M 20 ml = X 100 ml V2 = 100 ml ( 20 + 80 ) X = 0,96 M

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Observacin: Si el volumen aument 5 veces, la concentracin disminuye a la quinta parte. Ejercicios. 1) Determine cuntos mL de solucin de concentracin 40% p/p y densidad 1,3 g/mL se requiere para preparar 260 mL de solucin 3 % p/v.

(R: 15 mL.) 2) A 250 mL de una solucin 0,4 M de HCl se agregan 750 mL de agua. Calcular la concentracin molar de la nueva solucin. (R: 0,1 M) 3) Qu volumen de agua hay que agregar a 300 mL de solucin 0,15 M de NaOH para obtener una solucin 0,06 M. (R: 450 mL de H2O) 4) Se prepara una solucin agregando 16 mL de una solucin de hidrxido de sodio 3 M, completando un volumen de 200 mL con agua. Determine la molaridad de la solucin resultante (R: 0,24 M) Mezcla de Soluciones Es muy comn en un laboratorio qumico, mezclar dos o ms soluciones, que pueden ser de un mismo soluto o de solutos diferentes, en este ltimo caso, puede ocurrir una reaccin qumica entre los solutos. En general: LOS VOLMENES DE DOS LQUIDOS NO SON ADITIVOS Nosotros estaremos suponiendo que el solvente es siempre el mismo y que las soluciones son relativamente diluidas, pues slo aceptando estas hiptesis, el volumen final ser igual a la suma de los volmenes iniciales de las soluciones que son mezcladas. El esquema sera:

SOLUCIN 1 + SOLUCIN 2 SOLUCIN 3 M1,V1,n1 M2,V2,n2 M3,V3,n3 Donde, si el soluto es el mismo:

n1 + n2 = n3 (es decir, los moles de soluto se pueden sumar).

V1 + V2 = V3 (aceptando las hiptesis ya mencionadas).

Las molaridades no se pueden sumar (no son aditivas). Por lo tanto, la molaridad resultante de la mezcla se debe calcular a partir de n3 y V3:

M3 = n3 V3

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Recordemos que los moles que contiene una solucin, por ejemplo 200 mL de solucin acuosa de NaOH 2 M, se pueden calcular de la siguiente manera:

n = M V )(

n = 2 mol/litro x 0,2 litros

n = 0,4 moles

(estos son los moles de soluto que estn en los 200 mL 0,2 litros de la solucin). Ejemplo de mezclas de soluciones: Si 500 ml de solucin acuosa 0,2 M de HCl son mezclados con 100 ml de una solucin acuosa 0,8 M del mismo cido . Calcular la concentracin molar de la solucin resultante. La primera solucin aporta:

n1 = 0,2 mol/litro x 0,5 litro

n1 = 0,1 mol de HCl ( soluto ) La segunda solucin aporta:

n2 = 0,8 mol/litro x 0,1 litro

n2 = 0,08 moles de HCl Al sumar los aportes de las dos soluciones quedan 0,18 moles de HCl en un volumen total de 600 ml (o 0,6 litros), por lo tanto : Mresultante = 0,18 moles = 0,3 M 0,6 litros Ejercicios. 1) Se juntan dos soluciones; la primera tiene un volumen de 500 mL y una concentracin 0,5 M; la segunda tiene un volumen igual a 200 mL y una concentracin 2 M. Determine la concentracin molar de la solucin resultante. (R: 0.92 M) 2) Se mezcla 75 mL de solucin 0,25 M H2SO4 con 90 mL de otra solucin 0,5 M H2SO4 cul ser la concentracin de la disolucin final? (R: 0,386 M) 3) Se mezclan 10 mL de HCl 0,1 M; 23,5 mL de HCl 0,25 M y 8,6 mL de HCl 0,32 M, Cul es la molaridad de la solucin resultante? (R: HCl 0,23 M)

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Concentracin de Iones Si una sustancia se disocia parcialmente, en la solucin se encontrarn simultneamente molculas (sin disociar) e iones y la cantidad de ellos depende del grado de disociacin que presente la sustancia. Ahora cuando una sustancia se comporta como electrolito fuerte, prcticamente se disocia 100 % y en este caso sera ms apropiado hablar de concentracin de iones, ya que es lo nico que hay en solucin. Ejemplo: Si tenemos 1 mol de NaCl, y se disocia 100 %:

NaCl Na+ + Cl-

0 1 mol 1 mol Ahora tenemos en solucin 1 mol de Na+ y 1 mol de Cl-. Si la solucin hubiese sido 1 M de NaCl, se podra decir tambin que es 1 M para el in Na+ y 1 M para el in Cl-. Ejemplo: Suponiendo que el sulfato de aluminio se disocia totalmente, cul sera la concentracin de sus iones en una solucin 2 M de esta sal? Al2(SO4)3 2 Al

+3 + 3 SO4-2

inicial : 2 M 0 0 disociado : 0 4 M 6 M Al referirnos a inicial, estamos suponiendo que la sal todava no se disocia, y disociado, cuando lo ha hecho totalmente. Note, que segn la ecuacin de disociacin de la sal, por cada mol de sta que se disocia, se liberan 2 moles del ion Al+3 y 3 moles del ion SO4

-2. Por lo tanto, si se comienza con dos moles de la sal, se obtendrn 4 y 6 moles de cada ion respectivamente.

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TEST DE EVALUACIN MDULO 17 1. De las siguientes alternativas, indique aquella que no representa a una solucin A) amalgama B) bronce C) aire filtrado D) agua oxigenada E) agua de mar 2. Para recuperar la sal disuelta en el agua de mar, convendra A) filtrar la solucin B) decantar la solucin C) electrolizar el agua de mar D) centrifugar la solucin E) evaporar el agua 3. Una solucin puede ser clasificada de acuerdo a su concentracin y de acuerdo a su solubilidad. Indique las caractersticas que no se pueden dar en una solucin A) ser diluida y saturada B) ser insaturada y concentrada C) ser insaturada y diluida D) ser diluida y concentrada E) ser concentrada y sobresaturada 4. Dos lquidos no-miscibles son el agua y el aceite. Ellos pueden formar una A) mezcla homognea. B) una emulsin. C) una aleacin. D) un compuesto. E) un coloide. 5. De acuerdo al grfico adjunto es correcto afirmar que en 100 g de agua Solubilidad g/100 g de agua

A) es ms soluble el KNO3 que el NaCl B) a 20C es ms soluble el KNO3 que NaCl C) una solucin que contenga 40 g de NaCl disueltos a 100C es una solucin sobresaturada D) con un aumento de la temperatura, las dos sales experimentan un incremento similar de solubilidad E) la solucin saturada de KNO3 a 40C contiene menos soluto que una solucin saturada

de NaCl a la misma temperatura

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6. Para disolver la mayor cantidad posible de gas en un lquido, convendra I) aumentar la temperatura. II) aumentar la presin. III) disminuir la temperatura. IV) disminuir la presin. A) slo I B) I y II C) I y IV D) II y III E) III y IV 7. Para insaturar una solucin acuosa saturada de la sal KNO3 se podra A) agregar ms solvente. B) disminuir la temperatura. C) aumentar la presin. D) agregar ms KNO3. E) disminuir la presin. 8. En general, al aumentar la temperatura a una solucin saturada de un soluto slido en un

solvente lquido. La solucin se A) sobresatura si no se agita. B) diluye. C) insatura. D) concentra. E) mantiene saturada. 9. En general, para aumentar la solubilidad de un slido en un lquido se puede I) agregar ms solvente. II) aumentar la temperatura. III) disminuir la presin. A) slo I B) slo II C) slo III D) I y II E) II y III

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10. De acuerdo al grfico:

g/100 g de agua

A) Todos los slidos aumentan la solubilidad al elevar la

temperatura. B) Una solucin saturada a 0C de NaCl contiene 40 gramos

en 100 g de agua. C) Una solucin que contiene 60 g de K2CrO4 en 100 g de agua a 80C es saturada. D) A 0C, de las sales indicadas la menos soluble es el. Ce2(SO4)3 E) De las cuatro sales consideradas, el KNO3 es el ms soluble.

DSIQC17