DEFINICIÓN• Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias, el soluto es la sustancia presente en menor cantidad, y el disolvente es la sustancia que está en mayor cantidad. Una solución puede ser gaseosa, sólida o líquida. RAYMOND CHANG (2011) FUNDAMENTOS DE QUÍMICA. MCGRAW-HILL. • Las soluciones son mezclas de sustancias en las que se disuelve una en la otra para formar una sola fase. DICKSON T.R.(1975) INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA. PCSA. EUA. • Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disuelta se denomina soluto y la sustancia donde se disuelve se denomina disolvente. CALVET,E (1962) QUÍMICA GENERAL. EDITORIAL SALVAT, BARCELONA. Clasificación de la solución Es posible preparar soluciones con una gran cantidad de sustancias en diversos estados físicos; sabemos que pueden darse soluciones entre una variedad y cantidad de sustancias, en este caso particular, se hará una concentración sobre las binarias, es decir, aquéllas que contienen únicamente dos componentes. >>El solvente y el soluto pueden ser tanto gases, como líquidos o sólidos. Clasificación de la solución Tipos posibles de soluciones binarias que pueden resultar son: • Solución de un gas en otro gas. Ej. El aire, aires comprimidos. • Solución de un líquido en un gas. Ej. Solución de agua- dióxido de carbono (se disuelve en el agua y forma ácido carbónico). • Solución de un sólido en un gas. Ej. El aerosol sólido (espuma serpentina). • Solución de un gas en un sólido. Ej. El Hidrógeno (g) en el Paladio(s). • Solución de un líquido en un sólido. Ej. Agua con arena. • Solución de un sólido en un sólido. Ej. Acero (es carbono en fierro). • Solución de un gas en un líquido. Ej. Agua gaseosa. • Solución de un sólido en un líquido. Ej. Sales en el mar. • Solución de un líquido en otro líquido. Ej. Etanol en agua. Clasificación de la solución Todos los gases son miscibles en todas las proporciones y dan soluciones cuyas propiedades son casi aditivas si la presión total a que se hallan sometidos no es muy grande. Bajo estas últimas condiciones la presión total y parcial está regida por la Ley de Dalton, y su volumen total por la ley de Amagat. Clasificación de la solución • LEY DE DALTON: La ley de Dalton (o ley de proporciones múltiples) es una ley de los gases que relaciona las presiones parciales de los gases de una mezcla. En 1801 Dalton descubrió que: • La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que ejercen cada uno de los gases que la componen. • A la presión que ejerce cada gas de la mezcla se denomina presión parcial. Por lo tanto esta ley se puede expresar como: • Ptotal = p1+p2+...+Pn Donde p1, p2, ..., pn son las presiones parciales de cada uno de los gases de la mezcla. Clasificación de la solución • LEY DE DALTON: >> EJERCICIO : CALCULAR LA PRESIÓN DE UNA MEZCLA DE LOS SIGUIENTES GASES CONTENIDOS EN UN RECIPIENTE DE 2 LITROS A 100ºC: • 20 Gramos de O2 • 20 Gramos de H2 • 20 Gramos de CO2 Clasificación de la solución • PARA RESOLVER ESTE EJERCICIO VAMOS A COMBINAR LA LEY DE DALTON Y LA LEY DE LOS GASES IDEALES (P·V=n·R·T): 𝑷𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝒑𝟏 + 𝒑𝟐 + ⋯ + 𝒑𝒏 𝑷𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝒏𝟏 · 𝑹 · 𝑻/𝑽 + 𝒏𝟐 · 𝑹 · 𝑻/𝑽 + … + 𝒏𝟑 · 𝑹 · 𝑻/𝑽 𝑷𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = (𝑹 · 𝑻/𝑽) · (𝒏𝟏 + 𝒏𝟐 + ⋯ + 𝒏𝑵) • ENTONCES CALCULAMOS LOS MOLES DE CADA UNO DE LOS GASES: • 20 Gramos de O2 = 20 𝑔𝑟 32𝑔𝑟/𝑚𝑜𝑙 = 0.625 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 • 20 Gramos de H2 = 20 𝑔𝑟 2 𝑔𝑟/𝑚𝑜𝑙 = 10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 • 20 Gramos de CO2 = 20 𝑔𝑟 44 𝑔𝑟/𝑚𝑜𝑙 = 0.454 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 Clasificación de la solución • LA SUMA DE LOS MOLES DE GASES ES: • 𝒏 = 𝟎. 𝟔𝟐𝟓 + 𝟏𝟎 + 𝟎. 𝟒𝟓𝟒 = 𝟏𝟏. 𝟎𝟖 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔 • 𝑷𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = (𝑹 · 𝑻/𝑽) · (𝒏𝟏 + 𝒏𝟐 + 𝒏𝟑) • 𝑷𝑻𝑶𝑻𝑨𝑳 = 𝟎. 𝟎𝟖𝟐𝟏 𝒎𝒐𝒍∙°𝑲 · 𝟐 𝒍 · 𝟏𝟏. 𝟎𝟖 𝒎𝒐𝒍 𝒂𝒕𝒎∙𝒍 𝟑𝟕𝟑 °𝑲 = 𝟏𝟔𝟗 𝒂𝒕𝒎 Clasificación de la solución • LEY DE AMAGAT: Una ley similar a la de Dalton es la Ley de Amagat de los volúmenes parciales. Dice que en una mezcla de gases, el volumen total puede ser considerado como la suma de los volúmenes parciales de los constituyentes de la mezcla: 𝑉𝑇 = 𝑉1 + 𝑉2 + 𝑉3 + ⋯ + 𝑉𝑁 Clasificación de la solución • LEY DE AMAGAT: El volumen parcial de cada constituyente es el volumen que ocuparía el gas si estuviera presente solo a una temperatura dada y a la presión total de la mezcla. Se puede calcular mediante: 𝑥𝑖 𝑉𝑖 = 𝑉𝑇 En donde Xi es la fracción mol del i-ésimo componente y esta dado por el cociente entre el número de moles de " i " (ni) respecto al número total de moles (nT): 𝑛𝑖 𝑥𝑖 = 𝑛𝑇 Clasificación de la solución • La vaporización de un líquido y la sublimación de un sólido en una fase gaseosa se pueden considerar como una solución de aquellas sustancias en un gas. • Estos procesos comprenden primero la conversión del líquido o sólido en vapor, y la solución siguiente del vapor en gas. • Puesto que las presiones de vaporización y sublimación de una sustancia son fijas a cierta temperatura, las cantidades de líquido sólido que vaporizan en un volumen dado de gas, están limitadas por la cantidad necesaria para establecer las presiones de equilibrio. Clasificación de la solución • Los gases y los líquidos se disuelven en los sólidos para formar aparentemente soluciones homogéneas verdaderas. Así hay ejemplos como la solubilidad del hidrógeno en el paladio y la del benceno líquido en iodo sólido. Ambas soluciones son sólidas. • Cuando dos sólidos se disuelven entre sí, las soluciones formadas pueden ser completa o parcialmente miscibles, según la naturaleza de las sustancias comprendidas y la temperatura. • Así tenemos por ejemplo a los sulfatos dobles de potasio amonio, de cobre y hierro, y los alumbres de potasio y amonio. Clasificación de la solución • También hay muchos pares metálicos que forman soluciones sólidas, por ejemplo, el oro y platino; el oro y el paladio; la plata y el paladio, y el cobre y el níquel. • Como la formación de una solución sólida tendría lugar de una forma muy lenta cuando los materiales se encuentran en esa fase, es necesario recurrir a la cristalización, bien desde la solución en el caso de las sales o a partir de materiales fundidos en el caso de metales, si queremos obtener dichas soluciones sólidas. • La temperatura no ejerce influencia en la solubilidad, cuando las sustancias comprendidas en la formación de una solución sólida son totalmente miscibles en estado sólido, en cambio, sí la ejerce cuando la miscibilidad es parcial. Algunas sustancias son completamente miscibles en estado sólido a temperaturas elevadas y parcialmente a otras más bajas. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN • Existen diversas formas de expresar la concentración de una solución, ya sea que utilicemos la relación soluto - solución o soluto - solvente. Estas formas pueden ser físicas o químicas. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN - PORCENTAJE EN PESO: DESCRIBE LA CANTIDAD EN GRAMOS DE SOLUTO QUE HAY EN EL TOTAL DE GRAMOS DE LA SOLUCIÓN (GRAMOS DE SOLUTO + GRAMOS DE SOLVENTE) - PORCENTAJE PESO EN VOLUMEN: ES UNA FORMA DE EXPRESAR LOS GRAMOS DE SOLUTO QUE EXISTEN EN UN VOLUMEN DETERMINADO DE SOLUCIÓN. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN - PORCENTAJE VOLUMEN-VOLUMEN: ML DE SOLUCIÓN = ML DE SOLUTO + ML DE SOLVENTE SE EMPLEA PARA EXPRESAR CONCENTRACIONES DE LÍQUIDOS Y EXPRESA EL VOLUMEN DE UN SOLUTO EN UN VOLUMEN DE SOLUCIÓN. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN - MOLARIDAD: LA MOLARIDAD ES IGUAL A LOS MOLES DE SOLUTO QUE HAY EN UN LITRO DE SOLUCIÓN. - MOLALIDAD: LA MOLALIDAD SON LOS MOLES DE SOLUTO EN UN KILOGRAMO DE SOLVENTE. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN - NORMALIDAD: LA NORMALIDAD DE UNA SOLUCIÓN (N) INDICA EL NÚMERO DE PESOS EQUIVALENTES DE SOLUTOS QUE HAY EN UN LITRO DE SOLUCIÓN O EL NÚMERO DE MILIEQUIVALENTES QUÍMICOS POR CADA MILILITRO DE SOLUCIÓN. El peso equivalente de una sustancia depende de la reacción química en la que participa dicha sustancia. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN EN ÁCIDOS Y BASES: EN SALES: EN OXIDANTES Y REDUCTORES: FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Partes por Millón: Las Partes por millón (ppm) es una unidad de medida de concentración que mide la cantidad de unidades de sustancia que hay por cada millón de unidades del conjunto. El método de cálculo de ppm es diferente para sólidos, líquidos y gases: ppm de elementos sólidos y líquidos: se calcula según el peso: peso de la sustancia analizada Partes por Millón (ppm) = · 106 peso total ppm de gases: se calcula según el volumen: volumen de la sustancia analizada Partes por Millón (ppm) = · 106 volumen total Es una unidad empleada para la medición de presencia de elementos en pequeñas cantidades (trazas). Para medición de concentraciones incluso todavía más pequeñas se utilizan las partes por billón (ppb) FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Calcular el volumen necesario de un tinte líquido para que esté en 12% en volumen en una disolución con 1 kg de agua: volumen del soluto = x volumen del disolvente = 1 litro (volumen de 1 kg de agua) Volumen de la disolución = x + 1 % en volumen = 12 % = (volumen de soluto / volumen de disolución) · 100 = (x / x + 1) · 100 Despejamos la incógnita: 12 = (x / x + 1) · 100 12 · (x + 1) = x · 100 12x + 12 = 100x 12 = 100x - 12x 12 = 88x x = 12 / 88 = 0.136 litros Necesitamos por lo tanto 0.136 litros de tinte para tener una concentración 12% en Peso. FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Calcular el volumen de alcohol etílico que hay en una botella de 750 ml de whisky cuya etiqueta indica que su concentración en volumen es del 40%. Solución: volumen del soluto = x Volumen de la disolución = 750 ml =0.75 litros % en volumen = 40% = (volumen soluto / volumen disolución) · 100 = (x / 0.75) · 100 x = 40 · 0.75 / 100 = 0.3 litros Por lo tanto, la cantidad de alcohol puro en una botella de whisky es de 0.3 litros (1 vaso grande) FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Determinar la molaridad de una disolución formada al disolver 12 g de hidróxido de calcio, Ca(OH)2, en 200 g de agua, H2O, si la densidad de esta disolución es 1050 kg·m-3. Pesos atómicos: (Ca) = 40 u; (O) = 16 u; (H) = 1 u Solución: Peso molecular Ca(OH)2 = 40 + 2 · 16 + 2 · 1 = 74 gramos / mol Moles de soluto: 12 / 74 = 0.162 moles de Ca(OH)2 Masa total de Disolución = 12 g Ca(OH)2 + 200 g H2O= 212 gramos Volumen de Disolución: 1050 kgm-3 = 1050 g.l-1 212 g · (litros de disolución / 1050 g) = 0.202 litros de disolución Molaridad = (moles de soluto / litros de disolución) = 0.162 / 0.202 = 0.80 M FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Calcular la molalidad de una disolución de 95 gramos de ácido nítrico (HNO3) en 2.5 litros de agua. Solución: Peso molecular del HNO3 = 1 + 14 + 3 · 16 = 63 g / mol Moles de HNO3 = cantidad de HNO3 / peso molecular del HNO3 = 95 / 63 = 1.51 moles Peso del disolvente: tenemos 2.5 litros de agua → 2.5 kg Molalidad = moles de HNO3 / kg de disolvente = 1.51 / 2.5 = 0.6 m FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN » Calcular la normalidad de una disolución de HCl que contiene 100 gramos de soluto en 3 litros de disolución. (Dato: peso molecular del HCl = 36.5). » Solución: Normalidad = nº equivalentes HCl / litros de disolución Equivalente de HCl = peso molecular / nº de H+ = 36.5 / 1 = 36.5 nº de Equivalentes en 100 g de HCl = 100 / 36.5 = 2.7 Normalidad = 2.7 / 3 = 0.9 N FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Calcular la normalidad de 3.5 gramos de NaCl en 600 gramos de disolvente sabiendo que la densidad de la disolución es 0.997 g /ml. (Dato: peso molecular del NaCl = 58.4). Solución: masa disolución = masa soluto + masa disolvente = 3.5 + 600 = 603.5 gramos densidad = 0.997 = masa disolución / ml de disolución → volumen disolución = 603.5 / 0.997 = 605.3 ml Equivalente de NaCl = peso molecular / nº carga ión = 58.4 / 1 = 58.4 nº Equivalentes de NaCl en 3.5 g = 3.5 / 58.4 = 0.0599 Normalidad = nº equivalentes NaCl / litros de disolución = 0.0599 / 0.6053 = 0.099 N FORMAS DE EXPRESAR SU COMPOSICIÓN Se han detectado 12 mg de sustancia radioactiva en un depósito de 3 m^3 de agua. Calcular la concentración: Solución: Peso de sustancia analizada = 12 mg = 1.2·10^-5 kg Peso de los 3 m^3 de agua = 3,000 kg ppm = (1.2 x 10^-5 / 3,000) · 10^6 = 0.004 ppm ppb = (1.2 x 10^-5 / 3,000) · 10^9 = 4 ppb En este caso es más adecuado emplear la concentración ppb por ser extremadamente baja. PROCESO DE SOLUCIÓN • Es un proceso que se realiza para preparar soluciones a partir de otra solución con la misma droga pero de concentración superior. Cuando se diluye una solución, al agregar más solvente, el número de moles del soluto no varía, pero el volumen y la concentración de la solución si varían. C1 x V1 = C2 x V2 C1 x V1 + C2 x V2 = C3 + V3 PROCESO DE SOLUCIÓN • Indica la cantidad de veces que se diluye una solución. Se calcula de la siguiente manera: • Volumen final Concentración inicial • Volumen inicial Concentración final PROCESO DE SOLUCIÓN Con drogas fácilmente solubles (concentración conocida): • Pesar con exactitud la cantidad de droga deseada utilizando una balanza analítica. • Trasvasar cuidadosamente la droga al matraz, enjuagar varias veces con el solvente y recoger los pequeños volúmenes de lavado en el matraz. PROCESO DE SOLUCIÓN • Agregaragua destilada hasta aproximadamente la mitad del volumen del matraz y agitar por rotación para que se disuelva completamente la droga. • Dejar unos minutos para que la solución alcance la temperatura ambiente y el cuello del matraz este lo mas seco posible. • Finalmente, agregar agua -gota a gota- hasta que la parte inferior de la superficie cóncava del líquido se ubique en el lugar adecuado. PROCESO DE SOLUCIÓN • Tapar el matraz e invertir varias veces para homogeneizar. • La solución preparada se lleva a un frasco limpio y seco. PROCESO DE SOLUCIÓN Con drogas poco solubles: • Pesar con exactitud la cantidad de droga deseada en un vaso de pp. • Disolver con una cantidad de solvente inferior al volumen del matraz, calentar hasta que la droga se disuelva completamente y dejar enfriar hasta que alance temperatura ambiente. • Trasvasar cuantitativamente la solución al matraz, enjuagar varias veces el vaso de pp para arrastrar todo el posible resto de solución y colocar en el matraz también. PROCESO DE SOLUCIÓN • Finalmente, agregar agua -gota a gota- hasta que la parte inferior de la superficie cóncava del líquido se ubique en el lugar adecuado. PROCESO DE SOLUCIÓN - Medir el volumen de solución madre lo más exactamente posible y transferirlo al matraz. - Enjuagar varias veces con el solvente usado y colocar esos líquidos de lavado en el matraz. - Enrasar el matraz. - Disponer de tres matraces, perfectamente limpios y numerados. PROCESO DE SOLUCIÓN -Realizar tres diluciones consecutivas de la solución: • Tomar el volumen de una pipeta aforada de solución madre, verterlo en un matraz, completar a volumen y enrasar correctamente. Obtenemos la solución 1. • Tomar el volumen de una pipeta aforada de solución 1, verterlo en un matraz, completar a volumen y enrasar correctamente. Obtenemos la solución 2. • Tomar el volumen de una pipeta aforada de solución 2, verterlo en un matraz, completar a volumen y enrasar correctamente. Obtenemos la solución 3. FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD La cantidad de una sustancia que se disuelve en otra depende de la naturaleza del soluto y del solvente, la temperatura y la presión. FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD Temperatura: Es muy pronunciado y su dirección depende de el calor de solución. Si una sustancia se disuelve hasta la saturación con desprendimiento de calor, la solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura. Por otra parte si una sustancia se disuelve con absorción de calor, la solubilidad se incrementa cuando se eleva la temperatura. FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD Temperatura FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD Presión: Los cambios de presión no modifican la solubilidad de un solido en un liquido. Si un solido es insoluble en agua, no se disolverá aunque se aumente bruscamente la presión ejercida sobre el. La solubilidad de los gases disueltos en líquidos es diferente de la que poseen los solidos, la solubilidad de un gas en agua aumenta con la presión del gas sobre el disolvente si la presión disminuye, la solubilidad disminuye también. FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD Presión: La solubilidad de los gases es directamente proporcional a la presión. FACTORES QUE MODIFICAN LA SOLUBILIDAD La naturaleza de los solutos y de los solventes: Los compuestos de carácter químico análogo, tienen mayor solubilidad entre sí que los compuestos de carácter diferente. Cuando entre dos sustancias existe semejante química, ambas se toleran entre sí. Por otra parte, cuando la naturaleza química de las dos sustancias es diferente, no se toleran y hay poca resistencia a la disolución. Éstos fueron los temas tratados sobre las propiedades termodinámicas, los cuáles son de alta importancia de dominar para las siguientes temáticas de fisicoquímica.
Report "Propiedades Termodinámicas de las Soluciones"