Teoria de Soluciones2011

Teoría: Soluciones
Introducción:
Soluciones, se definen como un sistema homogéneo formado por dos o
más componentes, cuya composición puede variar entre ciertos límites. El
límite inferior es la menor cantidad que se puede medir y el límite superior la
solubilidad.
Los componentes de una solución, se pueden identificar como:
SOLUTO
+
DISOLVENTE = SOLUCIÓN
El soluto puede ser un gas, un líquido o un sólido, y el solvente puede ser
también un gas, un líquido o un sólido.
Las mezclas de gases, son soluciones. Las soluciones verdaderas se diferencian
de las soluciones coloidales y de las suspensiones en que las partículas del soluto son
de tamaño molecular, y se encuentran dispersas entre las moléculas del solvente.
Algunos metales son solubles en otros cuando están en el estado líquido y
solidifican manteniendo la mezcla de átomos. Si en esa mezcla los dos metales se
pueden solidificar, entonces serán una solución sólida llamadas ALEACIONES (ej.
Latón: cobre y cinc; oro 18 kilates: oro y plata).
Si se prepara una solución entre un sólido y un líquido, el sólido es el
soluto, (ejemplo NaCl en agua). En tanto que la solución de un líquido en agua, el
soluto es el que se encuentra en menor proporción, esto último es arbitrario,
(ejemplo alcohol en agua; el alcohol es el soluto pero está al 96%).
El disolvente más utilizado es el agua, pero también se utilizan otros
disolventes orgánicos: éter, alcohol, etc. En una solución puede estar presente
más de un soluto.
En las soluciones que contienen agua, siempre se considera que el agua
es el solvente, independientemente de la proporción que la misma represente.
Otro concepto: Densidad:
La relación
entre soluto y disolvente o volumen total de solución
se denomina concentración.
Habrás escuchado decir: el azúcar es soluble en agua. La nafta es insoluble en
agua. Por otro lado sabemos que existen sustancias que se disuelven mucho y
otras que se disuelven poco. Pero lo correcto sería aplicar los conceptos:
Soluble: indica que un soluto determinado puede disolverse (se puede mezclar)
en un solvente determinado, no me dice nada sobre cuánto se puede disolver.
Insoluble: indica que un soluto determinado no puede disolverse en un
determinado solvente.
Cuando se mezclan dos líquidos puede ocurrir que:
Se disuelvan entre sí (se dice que son miscibles)
No se disuelven entre sí (se dice que son inmiscibles)
Considerando la naturaleza físico-química del soluto, podemos clasificar las
soluciones en:
Soluciones moleculares: son aquellas en las que la fase dispersa está constituida por
moléculas (azúcar-agua). Las interacciones soluto-agua son dipolo-dipolo.
Soluciones electrolíticas: son aquellas en las que la fase dispersa está constituida por
iones (son buenos conductores de la corriente eléctrica, sal-agua). Las interacciones solutoagua son ion-dipolo.
Clasificación de las soluciones:
POR SU ESTADO
POR SU CONCENTRACIÓN
SÓLIDAS
SOLUCION NO-SATURADA; es aquella en
donde la fase dispersa y la dispersante no
están en equilibrio a una temperatura dada; es
decir, ellas pueden admitir más soluto hasta
alcanzar su grado de saturación.
Ej: a 0 ºC 100 g de agua disuelven 37,5 NaCl,
es decir, a la temperatura dada, una disolución
que contengan 20g NaCl en 100g de agua, es
no saturada.
LIQUIDAS
SOLUCION SATURADA: en estas
disoluciones hay un equilibrio entre la fase
dispersa y el medio dispersante, ya que a la
temperatura que se tome en consideración, el
solvente no es capaz de disolver más soluto.
Ej una disolución acuosa saturada de NaCl es
aquella que contiene 37,5 disueltos en 100 g
de agua 0 ºC.
GASEOSAS
SOLUCION SOBRESATURADA: representan
un tipo de disolución inestable, ya que
presenta disuelto más soluto que el permitido
para la temperatura dada.
Para preparar este tipo de disoluciones se
agrega soluto en exceso, a elevada
temperatura y luego se enfría el sistema
lentamente. Estas soluciones son inestables,
ya que al añadir un cristal muy pequeño del
soluto, el exceso existente precipita; de igual
manera sucede con un cambio brusco de
temperatura.
Concentración es la relación cuantitativa que expresa la cantidad de soluto
presente en una solución.
Teniendo en cuenta que la masa de una sustancia puede expresarse en
unidades químicas (moles) o en unidades físicas (gramos) resulta que:
Las concentraciones pueden ser expresadas en:
A) Unidades Físicas de Concentración
A.1- Expresión al tanto por ciento (%)
Las formas de expresar dicha relación pueden ser:
a) % en peso (% P/P): es la cantidad de soluto puro en 100 g de solución.
b) % peso en volumen (% P/V): es la cantidad de soluto puro en 100 mL de
solución.
c) %volumen en volumen (%V/V): es es el volumen de soluto puro en 100 mL de
solución.
A.2- Expresión en Gramos por Litro (g/L)
Es la cantidad en gramos de soluto puro en un litro de solución.
Los gramos por litro indican la masa de soluto, expresada en gramos, contenida
en un determinado volumen de disolución, expresado en litros. Así, una solución
de cloruro de sodio con una concentración de 40 g/L contiene 40 g de cloruro
de sodio en un litro de solución.
B) Unidades Químicas de Concentración
B.1- Solución Molar: Se expresa como el número de moles de soluto en 1000 mL
de solución. Se simboliza con la letra M.B.2- Solución Normal: Se expresa como el número de equivalentes gramos de
soluto, en 1000 ml de solución. Se simboliza con la letra N.
Normalidad: se define como el número de equivalentes de soluto que contiene
un litro de solución. Se calcula de la siguiente manera:
n = equivalentes de soluto/litros de solución
Equivalente químico de una sustancia se define como los gramos de
sustancia que reaccionan, equivalen o reemplazan a un mol de iones
hidrogeno. El peso equivalente gramo se refiere al peso en gramos de un
equivalente químico de la sustancia en cuestión.
Peso equivalente gramo de los ácidos= peso molecular / el número
de hidrógenos.
Peso equivalente de las bases= masa molecular/ el número de iones (HO-).
Peso equivalente de sales= masa molecular/ el número de oxidación del
catión.
B.3- Solución Molal: Se expresa como el número de moles de soluto en 1000 gr
de disolvente. Se simboliza con la letra m.-
Resumiendo:
Solubilidad
Se define solubilidad de una sustancia, como la cantidad en gramos de
soluto, necesarios para saturar 100 gr de disolvente a una temperatura
determinada.
1.- Factores que afectan la solubilidad.
a) Naturaleza del disolvente.
b) Naturaleza del soluto.
c) Temperatura.
En relación a los dos primeros, es conocido que los sólidos iónicos son más
solubles en disolventes polares que en no polares.Sustancia polar: Cuando los átomos que forman la molécula de un compuesto
covalente, están simétricamente distribuidos en el espacio, los centros de las
cargas negativas y positivas no coinciden. Como resultado de esta desigual
distribución de la carga eléctrica, las moléculas actúan como un dipolo y al
compuesto se lo denomina polar (Ej. agua).
Generalizando, se puede decir que, sustancias polares se disuelve en solventes
polares y sustancias no polares se disuelven en disolventes no polares,
habiendo excepciones a esta regla general.
2.- Temperatura y solubilidad
Disolver un sólido en un líquido, comprende dos procesos principales.
a) Un cambio en el estado del sólido, ya que las moléculas ó iones del sólido se
dispersan en el disolvente que lo rodea.
b) Una probable combinación entre soluto y disolvente.
El primer proceso es siempre endotérmico (necesita una cierta energía
para que ocurra), en tanto que el segundo puede ser endotérmico o
exotérmico.
La variación de la solubilidad con la temperatura, se expresa en forma de
curvas de solubilidad.
Efecto de la temperatura y la presión en la solubilidad de sólidos y gases
¿Por qué un refresco pierde más rápido el gas cuando esta caliente que
cuando esta frío, o por que el chocolate en polvo se disuelve más fácilmente en
leche caliente?, son varios factores los que influyen a estos fenómenos, entre
ellos está la temperatura y la presión.
Por lo general la solubilidad varía con la temperatura. En la mayoría de
las sustancias, un incremento de la temperatura causa un aumento de la
solubilidad. Por eso el azúcar se disuelve mejor en café caliente.
Los cambios de presión no modifican la solubilidad de un sólido en un
líquido. Si un sólido es insoluble agua, no se disolverá aunque se aumente
bruscamente la presión ejercida sobre él.
La solubilidad de los gases disueltos en líquidos es diferente de la que
poseen los sólidos. La solubilidad de un gas en agua aumenta con la presión del
gas sobre el disolvente, si la presión disminuye, la solubilidad disminuye
también. Se dice que la solubilidad de los gases es directamente proporcional a
la presión.
Cuando se destapa una botella de refresco, la presión sobre la
superficie del líquido se reduce y cierta cantidad de burbujas de dióxido de
carbono suben a la superficie. La disminución de la presión permite que el CO2
salga de la disolución.
En relación con la temperatura, los gases disueltos en líquidos se
comportan de forma inversa a como lo hacen los sólidos. La solubilidad de un
gas en agua decrece a medida que aumenta la temperatura; esto significa que
la solubilidad y la temperatura son inversamente proporcionales.
Los gases disueltos en agua potable (oxigeno, cloro y nitrógeno) son las
pequeñas burbujas que aparecen cuando él liquido se calienta y aún no llega al
punto de ebullición. Cuando el agua hierve queda totalmente desgasificada, por
lo cual su sabor es distinto del que posee el agua sin hervir, por ello se
recomienda airear esta agua antes de beberla.
EJEMPLO DE MOLARIDAD, NORMALIDAD y MOLALIDAD
Se ha preparado una disolución agregando 75 g de ácido carbónico, H 2CO3, hasta obtener un
volumen total de disolución de 1500 ml. A partir de las correspondientes masas atómicas,
calcular la molaridad y normalidad de la disolución preparada.
Por definición, la molaridad M se define como el número de moles de soluto por litro
de disolución,
M
n
V
y teniendo en cuenta que el número de moles, n, se calcula dividiendo la masa, m, de la
sustancia de que se trate entre el peso molecular, PM, de dicha sustancia, la expresión
anterior queda
m
n
m
M   PM 
V
V
PM V
El peso molecular (PM) del H2CO3 es 1×2 + 12×1 + 16×3 = 62 u. Es decir, que 1 mol
equivale a 62 g.
M 
m
75 g

 0,806 mol/l
PM  V 62 g/mol  1,5 l
Por definición, la normalidad N se define como el número de equivalentes gramo de
soluto por litro de disolución,
N
nº eq
V
Además, El peso equivalente de un compuesto se calcula dividiendo el peso molecular del
compuesto por su carga total positiva o negativa.
eq 
PM
v
Para calcular el peso equivalente de los compuestos
Para calcular el número de equivalentes habrá que dividir la masa de la sustancia por el
valor de un equivalente gramo,
m
nº eq 
eq
Retomando los datos del ejercicio anterior y a partir de la definición de Normalidad,
m
nº eq eq
m
m
m v
75  2
N





 1,613eq/l
PM
V
V eq  V
PM  V 62  1,5
V
v
Molalidad (m): Es el número de moles de soluto contenidos en un kilogramo de solvente.
Ejemplo, una solución formada por 36.5 g de ácido clorhídrico, HCl , y 1000 g de agua es una
solución 1 molal (1 m), reemplazar y corroborar en resultado.