UNIVERSIDAD PERUANA UNIÓNFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA EAP Ingeniería Ambiental PRACTICA N° 3 Practica de laboratorio SOLUCIONES ALUMNO: Alvaro Vasquez Flores PROFESOR: Hugo Fernández Lima, Abril del 2018 I. OBJETIVOS El estudiante: - Identifica las diferentes formas de expresar la concentración de las soluciones. - Realiza los cálculos necesarios para determinar la cantidad de reactivos que serán utilizados en la preparación de disoluciones. - Prepara diferentes soluciones. II. FUNDAMENTO TEÓRICO Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. Sus componentes, sin importar el estado físico en que se encuentren, no pueden ser separados por filtración debido al tamaño sub microscópico de sus partículas. El componente que está presente en mayor cantidad se llama disolvente y los otros componentes solutos. Las propiedades de una mezcla homogénea son las mismas en todos los puntos de una muestra dada. Existen soluciones sólidas, líquidas y gaseosas y algunos ejemplos de éstas son el aire limpio (mezcla de nitrógeno y oxígeno), agua endulzada y algunas aleaciones de latón (cobre y zinc). Los átomos, moléculas o iones de una solución están perfectamente mezclados y esto facilita que entren en contacto y reaccionen. En las soluciones en fase líquida o gaseosa, las partículas se mueven y chocan incrementando las posibilidades para que reaccionen entre sí. Debido a que las partículas están muy juntas en las soluciones líquidas y por tanto chocan más a menudo, estas soluciones son los medios que se emplean para producir fármacos, alimentos y otros productos comerciales. También son el medio en el que se llevan a cabo las reacciones en nuestro cuerpo y en el de otros organismos vivos. TIPOS DE SOLUCIONES Para conocer la cantidad de soluto que hay en un volumen dado de solución es necesario conocer la concentración de la solución: las cantidades relativas de soluto y disolvente. A continuación, se describen las diferentes maneras de expresar la concentración. 1. Soluciones empíricas Son aquellas en las que las cantidades de soluto o de solvente se conocen en forma relativa pero no exacta. Este tipo de soluciones se utilizan principalmente en análisis cualitativo y dentro de estas se encuentran: a. Solución diluida Está formada por una mínima cantidad de soluto en relación a la cantidad de disolvente. b. Solución saturada Es la que, a la temperatura ambiente del disolvente, este disuelve el máximo de soluto posible. c. Solución sobresaturada Es aquella que contiene más soluto que el indicado por la concentración de equilibrio, para preparar este tipo de solución se debe disolver el soluto a una temperatura mayor que la temperatura de equilibrio. 2. Soluciones de concentración conocida Son aquellas en las que se conoce el contenido de soluto respecto a la cantidad de disolvente o de solución. Este tipo de soluciones se utilizan en análisis cuantitativo y dentro de estas se encuentran: a. Solución porcentual ( % ) b. Solución formal ( F ) c. Solución Molar ( M ) d. Solución Normal ( N ) e. Partes por millón ( ppm ) f. Solución molal ( m ) g. Fracción mol ( χ ) h. Solución título ( T ) a. Solución porcentual ( % ) Existen tres maneras de expresar las soluciones porcentuales, estas son: - TANTO POR CIENTO PESO EN PESO, % p/p W, g soluto % p/p = ------------------------- x 100% W, g solución El tanto por ciento peso en peso de una solución indica el número de gramos de soluto en cada 100 gramos de solución. Por ejemplo, una solución al 10%p/p de NaOH contiene 10 gramos de NaOH por 100 gramos de solución. - TANTO PORCIENTO VOLUMEN EN VOLUMEN, % v/v: V, ml soluto % v/v = ------------------------- x 100% V, ml solución El tanto por ciento volumen en volumen de una solución indica el número de mililitros de soluto en cada 100 mililitros de solución. Por ejemplo, una solución al 25%v/v de alcohol en agua, contiene 25 mililitros de alcohol por 100 mililitros de solución. - TANTO PORCIENTO EN MILIGRAMOS, mg %: W, mg de soluto Mg % = ------------------------- x 100% V, ml de solución El tanto por ciento en miligramos es una unidad de concentración utilizada con frecuencia en los informes para describir las concentraciones extremadamente bajas del soluto (por ejemplo, trazas de metales pesados en el agua). b. Solución formal ( F ) Una solución formal expresa el número total de moles de un soluto por litro de solución (o el número total de milimoles en un mL de solución). Por ejemplo, una solución de hidróxido de sodio que tiene una concentración 1,0 F se puede preparar disolviendo 1 mol de NaOH ó 40 g de NaOH en agua y diluir exactamente a un litro. La concentración formal se refiere a la cantidad de soluto disuelto sin considerar la disociación de éste en la solución. W, g de soluto F = ----------------------------------------------------------------------- Peso fórmula (g /mol) x V, litros de solución # moles soluto F = ----------------------------------------------------------------------- V, litros de solución c. Solución molar ( M ) # moles soluto M = -------------------------, mol/l V, litros solución Como el número de moles de una sustancia se determina dividiendo los gramos de la sustancia sobre su peso molecular-gramo (PMG), la expresión anterior puede tomar la siguiente forma: (W, g / PMG) soluto M = --------------------------------------- V, litros solución La molaridad representa el número de moles de soluto por cada litro de solución. Así, en una solución 0.36 molar de ácido clorhídrico, por cada litro hay 0.36 moles de HCl. d. Solución Normal ( N ) # equivalentes soluto N = -----------------------------------------------, eq/l V, litros solución Un equivalente de la sustancia es la cantidad en gramos de la misma, que se combina con 1.008 g de hidrógeno, 8 g de oxígeno, produce 1 mol de cargas (+) o (-) o que pierde o gana 1 mol de electrones. El número de equivalentes se calcula dividiendo el peso en g de la sustancia entre el peso equivalente-gramo (PEG) de la misma. Entonces, la expresión anterior toma forma: (W, g / PEG) soluto N = ------------------------------------ V, litros solución PEG=EQg peso molecular · = nº oxidación(valencia) Por ejemplo, en una solución 0.25 normal, hay 0.25 equivalentes del soluto en cada litro de solución. e. Partes por millón ( ppm ) W, mg de soluto ug ppm = -------------------------------------- = ---------- V, litros de solución ml Ppmsol/liqu mg sustancia · 106 = analizada mg peso total ppmgas volumen de la sustancia · 106 = analizada volumen total Una parte por millón representa 1 mg de soluto por cada litro de solución. Esta unidad de concentración se utiliza para expresar el contenido de los minerales y los contaminantes en el agua potable e industrial. f. Solución molal ( m ) # moles soluto m = -------------------------, mol/kg W, kg solvente o (W, g / PMG) soluto m = ------------------------------- W, kg solvente La molalidad representa el número de moles de soluto por cada kilogramo de solvente. En una solución 2.0 molal hay 2 moles de soluto disueltos en 1 kg de solvente. DILUCIONES Una tarea muy común en un laboratorio químico o médico es la preparación de una solución necesaria a partir de una solución madre más concentrada. Se puede utilizar la siguiente relación para determinar la cantidad de solución madre requerida para una solución dada, pero se debe tener la seguridad de que se utilizan las mismas unidades de concentración y volumen a ambos lados de la ecuación: (conc. deseada) x (vol. deseado) = (conc. sol. madre) x (vol. sol. madre) O simplemente: C inicial x V inicial = C final x V final III. ACTIVIDADES PREVIAS - ¿Qué se entiende por densidad, y cuáles son sus unidades? La densidad de un cuerpo se averigua dividiendo su masa entre su volumen y su unidad es el gramo por centímetro cúbico (gr/cm3). Por ejemplo, 1 centímetro cúbico de agua tiene una masa de 1 gramo. Por tanto, la densidad del agua es de 1 gramo por centímetro cúbico. En cambio, el mercurio es mucho más denso que el agua. Un centímetro cúbico de mercurio tiene una masa de 14 gramos por centímetro cúbico. La densidad sirve para identificar sustancias, pues cada sustancia tiene siempre la misma densidad si es pura. Por ejemplo, imagina que tienes un lingote de oro de 250 cm cúbicos y 4.250 gramos y quieres saber si es oro puro. Para ello debes mirar en un libro cuál es la densidad del oro, que es 19 gramos por cm cúbico. A continuación, debes de dividir su masa (4.250 gramos) entre su volumen (250 centímetros cúbicos). El resultado sería de 17 gramos por centímetro cúbico. Por tanto, el lingote no sería de oro puro. - Investigue la toxicidad del permanganato de potasio. El Permanganato de Potasio es un poderoso oxidante y causa severas quemaduras en la piel y en los ojos. Al ser ingerido puede causar hemorragias internas. Con altas concentraciones, el Permanganato es corrosivo para los tejidos. - ¿Qué entiende por concentración de una solución? La concentración de una solución expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad dad de solvente o de solución. En términos cuantitativos, esto es, la relación o proporción matemática entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente o, entre soluto y solución. Esta relación suele expresarse en porcentaje. - ¿Existe las sustancias 100% puras? Explique. Las sustancias puras están formadas por partículas (átomos o moléculas) iguales, tienen una composición fija, no pueden separase por medios físicos. Tienen propiedades específicas: densidad, la temperatura permanece constante en los cambios de estado temperatura de ebullición y fusión), solubilidad, conductividad térmica y eléctrica y numerosas propiedades más. IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL MÉTODOS DE PREPARAR SOLUCIONES La preparación de las soluciones es un procedimiento muy común en el trabajo de laboratorio. Se puede diferenciar varios métodos: 1. Preparación de una solución de concentración aproximada y volumen (o peso) dados mediante la pesada directa del soluto (o medición del volumen de soluto, si es líquido) y su disolución en el solvente elegido. 1. Preparación de soluciones por dilución de las soluciones concentradas, llamadas soluciones-madre. Materiales - Probetas de 50 ml - Pipetas de 10 ml - Varilla de vidrio - Vasos de 250 ml - Luna de reloj - Espátula - Fiola de 100 ml Reactivos - Agua destilada - NaCl - NaOH - KMnO4 - H2SO4 concentrado Procedimiento 1. Preparar 100 gramos de solución al 5 %p/p de NaCl - Calcule el peso de NaCl necesario para los 50 gramos de solución, utilizando la ecuación del tanto por ciento en peso. Pese la cantidad calculada de NaCl, colóquela en un vaso. - Calcule el peso de agua que debe añadir para completar los 50 gramos de solución. Considerando que la densidad del agua es 1 g/ml, el peso calculado de agua es igual a su volumen. - Mida el volumen calculado de agua, añada a la sal, agite con una varilla y guarde en un frasco etiquetado. 2. Preparar 100 ml de la solución 0,25 molar de NaCl - Calcule el peso de NaOH, en grageas y pese sobre una luna de reloj la cantidad calculada, teniendo en cuenta que el NaOH es muy higroscópico y se humedece rápidamente. - Pase el NaOH pesado a un vaso, añada unos 30-40 ml de agua destilada y disuelva el soluto completamente. Pase la solución a una fiola y agregue agua destilada hasta la marca de aforo. Tape la fiola y homogenice la solución invirtiendo varias veces la fiola. Guarde la solución de NaOH preparada en un frasco etiquetado. 3. Preparar 100 ml de solución 0.15 normal de SACAROSA, KMnO4 + 5 electrones ® Mn+2 - Calcule la cantidad en gramos de permanganato de potasio, KMnO 4, necesario para preparar 100 ml de una solución 0.1N, que se utilizará en medio ácido, reduciéndose el permanganato a ion manganeso Mn +2: Peso eq.-g del permanganato sería 1/5 de su peso mol.-g y sería: 1/5 x 158 = 31.6 g/eq. Entonces, el peso del permanganato se calcularía de siguiente forma: g soluto = N x V, litros x PEG soluto. - Pese la cantidad calculada de permanganato de potasio y prepare la solución siguiendo las instrucciones del experimento anterior. 4. Preparar 100 ml de solución de SACAROSA 0.25 normal 5. PREPARAR AL 0.01 N de ácido clorhídrico. - Calcule primero la molaridad del ácido concentrado basándose en la información que da la etiqueta Concentración: 98% en peso Densidad: 1.82 g/ml. - Para transformar las unidades de concentración del tanto por ciento en peso a molaridad, debemos proponer algún volumen de la solución (1ml, 10ml, 100ml, 1000ml, etc.). - Para comodidad en el manejo de los cálculos matemáticos, suponemos 1 litro o 1000 ml de la solución concentrada. La molaridad se calcula según la siguiente ecuación: N° moles H2SO4 W,g H2SO4 / PMG H2SO4 M = ----------------------------- = ------------------------------------------- V, litros solución V, litros solución El peso del soluto se calcula de la ecuación del tanto por ciento en peso: % p/p % p/p W soluto = ----------------- x W soluc. = -------------- (V soluc. x d soluc.) 100% 100% Colocando esta expresión a la anterior, colocando los valores y reacomodándola, tendremos: 1000 ml 98% p/p 1.82 g/ml M = ----------------- x --------------- x -------------------- = 18 mol/litro 1 litro 100% 98 g/mol - Calcule el volumen del ácido concentrado que se necesita para preparar 100 ml de la solución 0.5M: McxVc=MdxVd MdxVd (0.5 M) (100 ml) V c = ----------------- = --------------------------- = 2.7 ml Mc 18 M - Mida con la pipeta el volumen calculado del ácido concentrado y colóquelo en una fiola de 100 ml. Utilizando una piceta agregue agua destilada hasta la marca del aforo. Tape la fiola y homogenice la solución. VI. CONCLUSIONES Como prueba de este laboratorio tenemos distintos resultados los cuales se dieron básicamente por las sustancias que trabajamos en ese momento junto con las soluciones que obtuvimos en el laboratorio, además pudimos ver que junto con el profesor encargado de la materia , diferentes formulas para poder hallar diversos resultados los cuales nosotros podemos determinar los distintos tipos de soluciones los cuales daban diferentes resultado VII. CUESTIONARIO 1. ¿Qué peso de KOH debe utilizarse para preparar 50 g de una solución al 2.5%p/p? 2.5%p/p es como decir 2,5 g de KOH por cada 100 g de solución. Por tanto para preparar 50 g de solución (la mitad de 100 g) se deben usar 1,25 g de KOH (la mitad de 2,5 g). 2. Una muestra de 35 ml de HCl 12M se diluyó a un volumen final de 125 ml. Calcule la molaridad de la solución obtenida. Para la molaridad se usa la siguiente fórmula: M(Molaridad) = n(Número de moles)/ V(Volumen) Por lo tanto, reemplazando sería: 12 = n/ 35 ... despejando el número de moles(n) sería 420 Como sabes en una solución el número de moles no varía por lo tanto usamos la misma fórmula, pero esta vez con los otros datos: M = n/ V ...reemplazando nos quedaría: M = 420/ 125 dándonos como respuesta 3.36M. 3. ¿Cuántos moles de soluto contiene 1/2 litro de una solución 0.125M de ácido sulfúrico? 1L _________0.125 moles de H2SO4 1/2_________x= 0.0625 moles de H2SO4 Rpta: 0.0625 moles de H2SO4 están en 1/2 litro. 4. Calcule la normalidad de una solución preparada disolviendo 1.75 g de KMnO4 en agua suficiente para 500 ml de solución, si esta solución se utilizaría en medio básico, reduciéndose el permanganato a bióxido de manganeso: MnO4- + 3 electrones ® MnO MnO4-1 + 2 H2O+ 3e-1 -------------- MnO2 + 4OH- 1 eqgr KMnO4 = MR/3 MR es el peso molecular que se divide por el numero de electrones que participan en la reaccion MR = 154grs/mol 1 eqgr = 154/3 = 51.3 grs 1 eqgr ------------ 51.3 grs X ------------------ 1.75 grs X = 1*1.75/51.3 X =0.034 eqgrs como esta masa esta en 500 cc para la normalidad se debe calcular cuantos equivalentes gramos hay en 1000 cc 0.034 grs -------------- 500 cc X ------------------------- 1000 X = 0.034*1000/500 X = 0.068 N “Todo gran avance de la ciencia es el resultado de una nueva audacia de la imaginación” Anónimo