UNIDAD 3:
SOLUCIONES 1
Las soluciones son mezclas homogéneas. Estas constan de dos o más componentes en una única fase, por ejemplo agua con sal de cocina, o azúcar en agua Para estudiar o trabajar con soluciones debemos conocer las cantidades relativas de los diferentes componentes que forman dicha mezcla. Para ello hay diferentes formas de expresar lo que se conoce como ¨la concentración de los componentes de una solución¨. La concentración se puede expresar en dos formas diferentes: a) usando cantidades físicas: porcentaje masa en masa (% m/m), porcentaje masa en volumen (% m/v), partes por millón p.p.m. b) usando cantidades químicas: molaridad. 2
CONCENTRACIONES BASADAS EN CANTIDADES FÍSICAS
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Usando cantidades físicas: Las cantidades físicas que comúnmente se usan son masa y volumen. p.p.m. (partes por millón): Son los miligramos de soluto que hay disueltos en 1 litro (1000 ml) de solución % m/m (porcentaje masa en masa): Son los gramos de soluto que hay disueltos en 100 gramos de solución. También se lo conoce como % p/p (porcentaje peso en peso) % m/v (porcentaje masa en volumen): Son los gramos de soluto que hay disueltos en 100 ml de solución. Las últimas dos formas de expresar la concentración están relacionadas por medio de la densidad de la solución (cuando esta esta expresada en g/ml). La densidad es δ= masa/volumen % m/m x δ = % m/v
Ecuación 3.1 4
Por ejemplo, ejemplo si tenemos una solución de δ=1,2 g/ml y esta tiene una concentración del 15 % m/m , ¿Cuál es su concentración en % m/v? Mediante la ecuación 3.1: % m/m x δ = % m/v 15 x 1,2 = 18 Entonces la misma solución tiene una concentración 18 % m/v Esto significa que la solución tiene 15 gramos de soluto por cada 100 gramos de solución (%m/m) y otra forma de expresarlo es decir que tiene 18 gramos de soluto por cada 100 ml de solución (%m/v) 5
Ejemplos de cálculo • ¿Cuanto cloruro de sodio debemos pesar para preparar 450 g de una solución 14,5 % m/m? • Respuesta: por cada 100 g de solución debemos pesar 14,5 g de NaCl. 100 g-----------14,5 g 450 g-----------65,25 g Debemos pesar 65,25 g de NaCl y agregarle 384,75 g de agua.
• ¿Cuanto cloruro de sodio debemos pesar para preparar 320 ml de una solución 4,5 % m/v? • Respuesta: por cada 100 ml de solución debemos pesar 4,5 g de NaCl. 100 g-----------4,5 g 320 g-----------14,4 g Debemos pesar 14,4 g de NaCl y agregarle agua hasta los 320 ml. 6
¿Qué cantidad de cianuro hay en 5000 litros de una solución que tiene una concentración de 12,5 ppm de cianuro? Apliquemos la definición de p.p.m. Miligramos de soluto que hay en 1000 ml (1 litro) de solución Por lo tanto: 1 litro-------------------12,5 mg 5000 litros------------------X= 62500 mg O sea que en esa solución hay un total de 62,5 gramos de cianuro 7
CONCENTRACIONES BASADAS EN CANTIDADES QUÍMICAS
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Usando cantidades químicas: Las cantidades químicas que comúnmente se usan son los moles. Molaridad (M): Son los moles de soluto que hay disueltos en 1000 mililitros (1 litro) de solución.
Ejemplo: Cuantos moles de soluto hay en 360 ml de una solución 0,36 molar Usando la definición de molaridad (moles de soluto que hay en 1000 ml de solución): 1000 ml----------------0,36 moles de soluto 360 ml----------------X= 0,1296 moles de soluto 9
EJEMPLOS COMBINANDO CONCENTRACIONES BASADAS EN CANTIDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS
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Dada una solución 0,25 M de CaCl2 y de densidad 1,05 g/ml, calcular la concentración en % m/m, ppm, % m/v 1) Calculo del % m/v:
1000 ml-------------------0,25 moles de CaCl2 100 ml-------------------0,025 moles de CaCl2
1 mol de CaCl2-----------------111 gramos 0,025 moles de CaCl2--------2,775 gramos En la primera regla de 3 calculamos los moles que hay en 100 ml En la segunda regla de 3 calculamos cuantos gramos hay en esos 100 ml, y eso es el % m/v (gramos de soluto en 100 ml de solución)
La solución es 2,775 % m/v 11
2) Cálculo de las p.p.m. En 100 ml tenemos 2,775 gramos o sea 2775 mg, por lo tanto: 100 ml---------------------2775 mg 1000 ml---------------------27750 mg
La solución tiene 27750 p.p.m de CaCl2 3) Cálculo del % m/m: Recordemos la ecuación 3.1:
% m/m x δ = % m/v
De esta despejamos (% m/m) = (% m/v)/ δ % m/m = 2,775 / 1,05 = 2,643
La solución es 2,643 % m/m 12
DILUCIONES
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Diluir: Es el procedimiento que consiste en agregar solvente a una solución o en mezclar dos o más soluciones diferentes. Solución 1
Solvente puro
Solución diluida. El gris oscuro diluido se transforma en gris claro
Solución 1
Solución 2
Nueva Solución Mezcla de las soluciones 1 y 2: Azul más amarillo da el VERDE
Agregado de solvente puro A 500 ml de una solución 2,5 M se le agregan 420 ml de agua, calcular la nueva concentración molar de la solución resultante. Del dato de molaridad:
1000 ml-----------------2,5 moles 500 ml-----------------1,25 moles
En la solución original tenemos 1,25 moles de soluto Le agregamos 420 ml de solvente, por lo tanto el volumen total de la solución resultante será de 920 ml. En la solución resultante tenemos:
920 ml---------1,25 moles 1000 ml----------1,36 moles
La solución resultante tiene una concentración de 1,36 Molar
El mismo problema puede resolverse usando una ecuación, la ecuación para el cálculo de diluciones V1 x C1 = V2 x C2
Ecuación 3.2
Donde V1 es el volumen de la solución original C1 es la concentración de la solución original V2 es el volumen de la solución resultante (suma del volumen de la solución original más el volumen del solvente que agregamos) C2 es la concentración de la solución resultante en las mismas unidades que C1 Aplicando la ecuación 3.2: 500 ml x 2,5 M = 920 ml x C2 Despejamos C2: C2 = 1,36 M La concentración de la solución diluida es 1,36 Molar
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Los problemas de diluciones se pueden resolver por cualquiera de los dos métodos que fueron explicados previamente. Al agregar solvente puro, la concentración de una solución diluida SIEMPRE DEBE SER MENOR a la concentración de la solución original (sin diluir) 17
Mezcla de soluciones Calcular la concentración de cada uno de los iones en la solución que resulta de mezclar 300 ml de una solución de NaCl al 5 % m/v con 450 ml de una solución de NaBr 0,03 M. Los datos nos dicen: NaCl 100 ml-------------- 5 g de NaCl 5% NaBr 0,03 M
300 ml--------------15 g de NaCl
1000 ml---------------0,03 moles de NaBr 450 ml---------------0,0135 moles de NaBr
En la solución 1 tenemos 15 gramos de NaCl En la solución 2 tenemos 0,0135 moles de NaBr 18
En la solución 1 tenemos 15 gramos de NaCl En la solución 2 tenemos 0,0135 moles de NaBr Transformamos los gramos de NaCl en moles 58,5 gr de NaCl---------------1 mol de NaCl 15,0 gr de NaCl---------------0,26 moles de NaCl En la solución 1 tenemos 0,26moles de NaCl En la solución 2 tenemos 0,0135 moles de NaBr Recordando la unidad 1: En 0,26 moles de NaCl tengo 0,26 moles de Na+ y 0,26 moles de ClEn 0,0135 moles de NaBr tengo 0,0135 moles de Na+ y 0,0135 moles de Br19
En la solución resultante tenemos un volumen de 750 ml, donde hay 0,26 moles de Na+ y 0,26 moles de Cl- provenientes de la solución 1 y hay 0,0135 moles de Na+ y 0,0135 moles de Brprovenientes de la solución 2 Calculo de las concentraciones de cada uno de los iones Na+
En total tengo 0,26 moles + 0,0135 = 0,274 moles de Na+ 750 ml --------------0,274 moles de Na+ 1000 ml---------------x = 0,365 moles de Na+
Cl-
750 ml --------------0,26 moles de Cl1000 ml---------------x = 0,347 moles de Cl20
Br-
750 ml --------------0,0135 moles de Br1000 ml---------------x = 0,018 moles de Br-
En la solución resultante tenemos las siguientes concentraciones de iones
Na+ 0,365 M Cl- 0,347 M Br- 0,018 M
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SOLUBILIDAD
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Solubilidad Se define solubilidad como la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cierta cantidad de solvente a una temperatura dada Ejemplo:
La solubilidad en agua de la sustancia A es de 25 gramos por cada 100 mililitros a 25ºC
Esto quiere decir que en 100 mililitros de solución a 25ºC no voy a poder disolver más de 25 gramos de la sustancia A 23
TIPOS DE SOLUCIONES Saturadas: No puede disolverse más soluto, la cantidad de soluto que hay disuelta es igual a la solubilidad.
Concentradas: Tienen una cantidad de soluto disuelta cercana a la solubilidad, pero todavía puede disolverse un poco más de soluto.
Diluidas: Tienen una cantidad de soluto disuelta lejana a la solubilidad, por lo tanto puede disolverse todavía una gran cantidad de soluto en la misma. 24
Curvas de Solubilidad Son gráficos en donde en el eje y se coloca la solubilidad y en el eje x se coloca la temperatura Solubilidad (gramos de B en 100 ml de solución)
160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temperatura en ºC 25
Problemas usando curvas de solubilidad Ejemplo 1 Dada la curva de solubilidad anterior, calcular cuanto sólido precipitará al enfriar 350 ml de una solución saturada a 70ºC (solubilidad 135 gramos de B en 100 ml de solución) hasta los 25ºC (solubilidad 20 gramos de B en 100 ml de solución) ¿Cuánto soluto hay disuelto en 350 ml de una solución saturada de B a 70ºC? A 70ºC
100 ml de solución----------------135 gramos de B 350 ml de solución----------------472,5 gramos de B
¿Cuánto soluto puede quedar disuelto en 350 ml de una solución saturada de B a 25ºC? A 25ºC
100 ml de solución----------------20 gramos de B 350 ml de solución----------------70 gramos de B
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A 70ºC tengo disueltos 472,5 gramos de B y a 20ºC solo voy a poder tener disueltos 70 gramos de B, por lo tanto van a precipitar 402,5 (= 472,5-70) gramos de B al enfriar la solución de 70ºC a 25ºC
Precipitan 402,5 gramos de B al enfriar de 70ºC a 25ºC
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Ejemplo 2 Dada una sustancia J, cuyas solubilidades a 20ºC y a 50ºC son 3 y 8 gramos por litro respectivamente, calcular cuánto soluto es necesario agregar a 320 ml de una solución saturada a 20ºC para obtener una solución saturada a 50ºC. Primero calculo la cantidad de soluto que hay en la solución saturada a 20ºC 1000 ml _____________ 3 gramos 320 ml _____________ X = (320 x 3) / 1000 X = 0,96 gramos A 20 ºC tengo 0,96 gramos de J disueltos en los 320 ml de la solución 28
Luego calculo la cantidad de soluto que debería tener disuelta a 50ºC para tener una 320 ml de una solución saturada a esa temperatura 1000 ml _____________ 8 gramos 320 ml _____________ X = (320 x 8) / 1000 X = 2,56 gramos
Finalmente por diferencia entre lo que debería tener disuelto y lo que tengo obtengo la cantidad de soluto que debo agregar: Necesito 2,56 gramos
Tengo disueltos 0,96 gramos
Debo agregar (2,56 - 0,96) = 1,60 gramos de J 29
