Estudio de las Soluciones Químicas

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UNIDAD 2: Soluciones y unidades de concentración Tema 3: Soluciones Describir y clasificar las soluciones. Describir la solubilidad y los factores que la afectan. Definir los tipos de interacciones entre el soluto y el solvente. Resultados de aprendizaje Contenido de la sesión Definición y clasificación de las soluciones. Factores que afectan la solubilidad Una visión molecular del proceso de disolución. . DISPERSIONES Suspensión, cuando las partículas dispersas poseen diámetros mayores de un micrómetro. Son sistemas macroheterogéneos, se pueden separar por acción de la gravedad , centrifugación etc. Ej.

jugo de frutas, arcilla en agua Coloides , poseen partículas dispersas cuyos diámetros están comprendidos entre 1micrómetro (μm=10-6m) y 1nanómetro (nm=10-9m). Son sistemas microheterogéneos cuyas partículas son visibles en el ultramicroscopio. Ej. Leche, gelatina, clara de huevo Soluciones, poseen partículas dispersas menores a un nanómetro y están dispersas uniformemente, pueden ser moleculares o iónicas. Ej. Agua mineral, aire. Las dispersiones son mezclas que están constituidas por partículas distribuidas en un medio dispersante, de acuerdo al tamaño de la partícula se puede clasificar en: Suspensiones Ejemplos Coloides Tipos de coloides Coloides FIGURA Efecto Tyndall en el laboratorio.

El vaso de la derecha contiene un coloide; el de la izquierda contiene una disolución. SOLUCIÓN COLOIDE FIGURA Movimiento Browniano. Al observar detenidamente el haz de luz que pasa por una ventana, se puede apreciar el movimiento de pequeñas partículas coloidales. DISPERSIONES Tamaño comparativo de solutos dispersos Solución Coloide Suspensión Tipo de partícula Iones, moléculas pequeñas Partículas, macromoléculas Partículas grandes Tamaño de partícula Menores a 1 nm 1 – 1000 nm Mayores a 1000 nm SOLUCIONES Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias puras. Las soluciones constan de un solvente (disolvente) y uno o más solutos.

El disolvente o solvente, es el medio en el cual los solutos se dispersan uniformemente a nivel de moléculas o iones. Características: Composición variable: La proporción de sus componentes no es fija, variando así su concentración . Así por ejemplo una solución de agua con HCl puede contener un 10%, 20%, 35% de HCl. Homogeneidad: El soluto se dispersa de manera uniforme en el solvente, la solución final posee en todas partes la misma proporción soluto–solvente y las mismas propiedades físicas.

Sus componentes conservan sus propiedades químicas, como su comportamiento frente a otras sustancias Pueden ser separados por métodos físicos: Evaporación del solvente CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES a) Por su estado físico b) Por el número de componentes Solución binaria, Solución ternaria, Solución cuaternaria etc c) Por la naturaleza del soluto Solución molecular: Azúcar (sacarosa C12H22O11) disuelta en agua. Soluciones acuosas de alcohol etílico C2H5OH. Solución iónica (Soluciones electrolíticas): Son soluciones donde el soluto se encuentra disociado en iones. Electrolitos: iónicos (NaCl, NH4Cl) o moleculares (HCl, H2SO4, HNO3).

NaCl(ac) Na+ (ac) + Cl – (ac) HCl(g) + H2O(L) H3O + (ac) + Cl – (ac) d) Por su concentración Insaturada: El soluto esta disuelto en cantidad inferior a la solubilidad. Saturada :Es una disolución que está en equilibrio con el soluto no disuelto . Soluto disuelto al máximo de la solubilidad. Sobresaturada: El soluto esta disuelto en cantidad superior a la solubilidad . El sistema es inestable. . Se disuelve 100 g de NaCH COO (acetato de sodio) en 100 mL de agua caliente a 80 °C, hasta que todo el soluto se disuelve. Luego, deja enfriar lentamente la solución hasta 20 °C, sin agitar ni añadir más agua. A esa temperatura, la solubilidad del acetato de sodio es de 72 g por 100 mL de agua.

La solución tiene 100 g disueltos, lo cual supera el límite de solubilidad. Como no hay precipitación espontánea, es una solución sobresaturada: contiene DISUELTO más soluto del que normalmente puede mantenerse disuelto a esa temperatura. Ejemplo de solución sobresaturada: SOLUBILIDAD : La solubilidad indica la cantidad de soluto que logra disolverse en una cantidad de solvente a una determinada temperatura para formar una solución saturada. Esta es una propiedad física e intensiva de la materia. El dicho lo semejante disuelve lo semejante, se basa en la naturaleza de las fuerzas de atracción, tanto el soluto como el solvente deben tener fuerzas de atracción similares.

Puede darse los siguientes casos: Fuerzas de dispersión.- Se presentan cuando una sustancia no polar como el benceno C6H6 se disuelve en otra no polar como el CCl4. Interacción dipolo–dipolo.- Se presentan en disoluciones donde el soluto y el solvente están constituidos de moléculas polares. Puentes de hidrógeno.- Explican la enorme solubilidad que presentan compuestos que poseen grupos – OH con el agua. Interacción ion–dipolo.- Las interacciones ion–dipolo, se presentan entre un ion y la carga parcial de un extremo de una molécula polar. 1. NATURALEZA DE LA INTERACCIÓN SOLUTO SOLVENTE Factores que afectan la solubilidad Disolución de cloroformo en acetona.

Disolución de dimetiléter y el isopropiléter Disolución de benceno en tetracloruro de carbono Peróxido de hidrógeno en agua Ácido acético en agua Disolución acuosa de NaCl. Disolución acuosa de KNO3 Todos los compuestos iónicos solubles en agua se disocian en iones. Representación: KNO3 (s) K+(ac) + NO3 - (ac) 2. EFECTO DE LA TEMPERATURA La solubilidad de la mayoría sólidos iónicos en el agua se disuelven en procesos endotérmicos por lo que su solubilidad aumenta cuando se incrementa la temperatura de la disolución.

Variación de la solubilidad de gases por efecto de la temperatura A diferencia de los solutos sólidos, la solubilidad de los gases en el agua disminuye con el aumento de la temperatura. La solubilidad de un gas en un disolvente líquido aumenta en proporción directa a la presión parcial del gas sobre la disolución. La relación entre la presión y la solubilidad de un gas se expresa en la ley de Henry. FIGURA : La solubilidad de un gas en agua es directamente proporcional a la presión parcial del gas. Las solubilidades están en milimoles por litro de disolución. 3. EFECTO DE LA PRESIÓN k es una constante que tiene un valor particular para cada gas y solvente a una temperatura específica.

Cgas = k.Pgas FIGURA La solubilidad del gas disminuye conforme baja la presión. Burbujas de CO2 salen de la disolución cuando se abre el envase de una bebida carbonatada, porque se reduce la presión parcial del CO2 sobre la disolución. FIGURA La solubilidad de un gas aumenta conforme se incrementa la presión. Los buzos que utilizan gases comprimidos deben estar conscientes de la solubilidad de los gases en su sangre. 2. Determina la cantidad de nitrato de potasio (KNO3) que habrá que mezclar con 200 g de agua para obtener una disolución saturada a 50ºC. 170 g KNO3 25.64g precipita 3. 100 gramos de una solución saturada de nitrato de plomo Pb(NO3)2 a 60ºC se enfría hasta los 10ºC.

¿Qué cantidad de sal precipitará? 1. ¿A qué temperatura la solubilidad del NaNO3 es igual a la del CaCl2 ? Del grafico : 25 °C El proceso de disolución Una disolución se forma cuando una sustancia se dispersa de manera uniforme a través de otra. El mezclado de los gases es un proceso espontáneo. El grado de dispersión de las moléculas y sus energías cinéticas asociadas está relacionado con una cantidad termodinámica llamada entropía. Mezclado espontáneo de dos gases para formar una mezcla homogénea (disolución). Las interacciones entre moléculas de soluto y moléculas de disolvente se conocen como solvatación. Cuando el disolvente es agua, las interacciones también se conocen como hidratación.

El proceso de disolución Disolución de un sólido iónico en agua. Cuando una sustancia (el soluto) se disuelve en otra (el solvente), las partículas de soluto se dispersan homogéneamente en todo el solvente. La facilidad con la que una partícula de soluto puede reemplazar a una molécula de disolvente depende de las fuerzas relativas de tres tipos de interacciones: interacción disolvente - disolvente interacción soluto - soluto interacción disolvente soluto El proceso de disolución Enfoque molecular del proceso de disolución Se puede considerar que el proceso de disolución se lleva a cabo en tres procesos independientes. La etapa 1: Separación de las moléculas de solvente, H1.

La etapa 2: Separación de las partículas del soluto, H2. Estas etapas requiere energía para romper las fuerzas de atracción, por lo que son endotérmicas. En la etapa 3 se mezclan las moléculas de solvente y de soluto, esta mezcla es exotérmica , H3. El calor de solución estará dado por: Hsolución = H1 + H2 + H3 El proceso de disolución Si la atracción soluto - disolvente es más fuerte que las atracciones solvente - solvente y soluto - soluto, el soluto se disolverá en el solvente, dicho proceso será exotérmico Hsolución < 0. Si la atracción soluto - disolvente es más débil que las atracciones solvente - solvente y soluto - soluto, el proceso de disolución será endotérmico Hsolución > 0.

El proceso de disolución está regido por dos factores: energético que es el Hsolución (entalpía de solución) y el grado de desorden S (entropía). Generalmente los procesos de disolución exotérmicos ( Hsolución < 0) se relacionan con interacciones soluto - solvente favorables. El proceso de disolución En estado puro, el disolvente y el soluto poseen cierto grado de orden, por orden se entiende una disposición regular de moléculas o iones en el espacio tridimensional. Gran parte de este orden se destruye cuando el soluto se disuelve en el solvente. Por lo tanto, el proceso de disolución del soluto en un solvente siempre va acompañado de un incremento en el grado de desorden o entropía.

El proceso de disolución Es este incremento en el desorden del sistema lo que favorece la solubilidad de cualquier sustancia. Esto explica porque una sustancia puede ser soluble en un solvente aún que el proceso de disolución sea endotérmico. Ejemplo El proceso de disolución del NaOH en agua es exotérmico, debido a la fuerte atracción ión - dipolo, de las moléculas de agua por los iones Na+ y OH - . El proceso de disolución del NaCl en agua es endotérmico, pero finalmente el NaCl se disuelve en el agua por el aumento del grado de desorden (entropía). Ejemplos Predecir que solutos serán solubles en los solventes indicados y el tipo de interacción.

a) CH3CH2OH en H2O b) CH4 en CH3-(CH2)4-CH3 c) CHCl3 en CH3COCH3 d) MgCl2 en H2O e) NaCl en CH3COCH3 f) CH3COONa en H2O g) CH3CH2NH2 en H2O h) CCl4 en H2O Efecto de la temperatura sobre la solubilidad Ejercicio De acuerdo a los datos de la siguiente gráfica, determine el tipo de solución que se forma en cada uno de los casos siguientes: a) Adición de 68 g de KClO3 a 100 mL H2O a 70°C. b) Adición de 65 g de Pb(NO3)2 a 100 mL H2O a 30°C. c) Adición de 30 g de K2Cr2O7 a 120 mL H2O a 50°C. d) Adición de 55 g de KClO3 a 150 mL H2O a 70°C. UNIDAD 2: Soluciones y unidades de concentración Tema 4A: Unidades de concentración Físicas : % p/p, % v/v, % p/v y ppm.

UNIDADES DE CONCENTRACION FÍSICAS El estudio cuantitativo de una disolución requiere que se conozca su concentración, esto es la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de solución. Tipos de unidades de concentración 1. Porcentaje en masa ( porcentaje en peso) , % P/P, m/m . Expresa la cantidad de gramos de soluto contenidos en 100 g de solución . porcentaje en masa del soluto = masa soluto x 100 masa solución Solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl) al 10 % P/P indica que hay 10 gramos de ácido clorhídrico puro (HCl) disueltos en 100 g solución. 1. Calcule la cantidad de agua (en gramos) que se debe agregar a 34.5 g de KCl para prepara una solución al 2,5 % en masa.

Desarrollo Ejemplos mH2O= 1345.5 g 3) 150 mL de una solución acuosa contiene 40 g de etanol. Calcular el porcentaje en masa de etanol en la solución. Densidad de la solución es 0,912 g/mL. 4) Una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) tiene una densidad de 1,8 g/mL y contiene 90 % en masa de ácido puro. ¿Qué volumen de solución contiene 300 g de H2SO4 puro ? 5) La solubilidad del BaSO4 es 0,30 g/ 100 mL de agua a 20 ºC. Si se agita una muestra de 0,4 gramos de BaSO4 durante toda la noche a 20 ºC con 100 mL de agua. ¿ Cuál es el porcentaje en peso de BaSO4 en la solución ? 29,2% 165,3mL 2. Porcentaje en volumen (% v/v) Expresa la cantidad de mililitros de soluto en 100 mililitros de solución.

% v/v = volumen de soluto x 100 volumen solución Solución acuosa de alcohol etílico al 30 % V/V indica que hay 30 ml de alcohol etílico disuelto en 100 mL de solución. Ejemplo Se prepara 250 mL de una solución acuosa de metanol al 4.8 % v/v de metanol. ¿ Qué masa de metanol está presente en la solución ? Densidad del metanol es 0.791 g/mL. m= 9.49g 3. Porcentaje masa - volumen o peso - volumen ( % m/v) Indica la cantidad de gramos de soluto disuelto en 100 mililitros de solución. % m/v = masa soluto x 100 volumen solución (mL) Ejemplo La densidad de una solución al 15 % en peso de NaCl es 1.15 g/mL. Calcule el porcentaje masa NaCl /volumen solución.

(%P/V) Desarrollo Asumimos 100g de masa de la solución En 100 g solución hay 15 g de NaCl Vsolución = masasolución = 100g = 86.95 mL dsolución 1.15g/mL %m/vNaCl= 15g x100= 17.25% 86.95 mL Ejemplos 2. Se prepara una solución mezclando 40 mL de benceno (C6H6) con 100 mL de tolueno(C7H8). Calcule el porcentaje en masa de benceno, si las densidades del benceno y del tolueno son 0.879 g/mL y 0.867 g/mL respectivamente. 2. El ácido ascórbico (vitamina C) es una vitamina soluble en agua. Una solución contiene 50 g de ácido ascórbico (C6H8O6) disuelto en 250 g de agua, tiene una densidad de 1.22 g/mL a 25ºC. Calcular el porcentaje masa soluto/volumen de solución. 28,85% 20,4% 4.

Partes por millón (ppm) Expresa la relación P/P, P/V, V/V de una parte de soluto por un millón de partes de solución. 5. Partes por billón (ppb) P/P P/V V/V ppm mg/kg mg/L L/L g/g g/mL P/P P/V ppb g/Kg g/L LÍMITES MÁXIMOS PERMISIBLES PARA AGUA PARA CONSUMO HUMANO Parámetros Inorgánicos Límite máximo permisible (ppm) 1. Antimonio 0,020 2. Arsénico 0,010 3. Bario 0,700 4. Boro 1,500 5. Cadmio 0,003 6. Cianuro 0,070 7. Cloro 5 8. Clorito 0,7 9. Clorato 0,7 10. Cromo total 0,050 11. Flúor 1,000 12. Mercurio 0,001 13. Níquel 0,020 14. Nitratos 50,00 15. Plomo 0,010 16.

Selenio 0,010 Los límites máximos permisibles representan las concentraciones máximas de ciertas sustancias que pueden estar presentes en el agua sin representar un riesgo para la salud humana. Es decir, es la cantidad máxima de un determinado contaminante que puede estar presente en el agua y que, aún cuando sea consumida, no causará daño al organismo. Estos límites son fijados por organismos reguladores y deben ser estrictamente respetados por las empresas que suministran agua potable. Es fundamental comprender que estos parámetros y límites no son arbitrarios, sino que están basados en evidencia científica rigurosa y en la evaluación de riesgos para la salud.

La vigilancia continua y el cumplimiento estricto de estos estándares aseguran que el agua que consumimos es segura y saludable. Ejemplos 1. En una muestra de 0,5 g de pescado seco se encontró 12 g de mercurio. Expresar la concentración del mercurio en partes por millón. 2. En 100 mL de agua de río, de donde proviene el pescado anteriormente analizado se encontró 2,3 g de mercurio. Expresar la concentración de mercurio en ppm y en ppb. 24 ppm 23 ppb Ejercicios Adicionales 1. Qué masa en gramos de cloruro de sodio se estará proporcionando a un recipiente con aceitunas al agregar 500 mL de una solución 25 % P/V. 2.

Se tienen 500 g de una solución acuosa de NaCl al 25 % en masa de sal, si a esta solución se le agregan 50 g más de NaCl. Hallar el porcentaje en masa del soluto para la solución resultante. 3. Calcule la masa de soluto y volumen de agua que se requieren para preparar 200 g de una solución de KOH al 10 % en masa. 4. La cerveza es una solución acuosa de alcohol etílico al 5 % en volumen, si una persona consume 3 botellas de cerveza de 1 litro cada una. ¿Qué volumen de alcohol ingirió en total? 5. Se analiza una muestra de sangre de 25 mL para determinar el contenido de glucosa encontrándose 2,67 mg.

Calcular la concentración de glucosa e indicar si el paciente es diabético o no si se sabe que el rango normal está entre 70 y 110 ppm Referencias Bibliográficas Chang, R., Goldsby, K. A.(2017). Química. McGraw-Hill. https://ebooks7-24.com:443/?il=5202 Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus,, Matthew W.,(2021). Química. Pearson Educación. https://ebooks7- 24.com:443/?il=16937 Whitten, K. W., Peck, M. L., Stanley, G. G., Davis, R. E.(2015). Química. Cengage Learning. https://ebooks7-24.com:443/?il=1304