Disoluciones
Disoluciones Contenidos 1) Soluciones
a) Definiciones. i) Soluto – Solvente ii) Solubilidad. Factores de los que depende iii) Curvas de solubilidad b) Concentración de las soluciones i) Expresión de las concentraciones ii) % (m/m), % (m/v) Objetivos Para aprobar este tema deberás:
a) b) c) d)
Calcular porcentajes (m/m) y (m/v). Interpretar las curvas de solubilidad. Trabajar con curvas de solubilidad. Diferenciar soluciones No saturadas, saturadas y sobresaturadas.
Contenidos previos Lectura de gráficos Cálculo de porcentajes
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A. Introducción Las soluciones son mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación. La concentración de una disolución constituye una de sus principales características. En la naturaleza, la materia se presenta, con mayor frecuencia, en forma de mezcla de sustancias puras. Las disoluciones constituyen un tipo particular de mezclas. Las soluciones forman parte de los hechos cotidianos, están presentes al respirar, ya que el aire es una solución de varios gases, al ingerir agua potable, ya que siempre contiene una serie de sustancias disueltas; cuando se utilizan aleaciones como bronce, latón, acero, en los fluidos que recorren nuestro organismo transportando los nutrientes necesarios para la vida. En este punto te toca trabajar a vos y para ello tendrás que investigar: 1. Que sustancias componen el aire y en qué proporción. Realizar un gráfico de barras o de torta representando lo anterior ¿Son sustancias simples o compuestas? 2. ¿La concentración de los componentes del aire, es el mismo a cualquier altura? Si no es así de que manera varía 3. ¿Se pueden separar los distintos componentes del aire? Si se puede ¿Qué método es el adecuado? Describirlo y hacer un esquema.
Combinación, Mezcla Y Disolución Conceptos fundamentales La separación de un sistema material en los componentes que lo forman puede llevarse a cabo por métodos mecánicos, físicos o por métodos químicos. Los prim eros incluyen una serie de operaciones tales como filtración, destilación o centrifugación, en las cuales no se produce ninguna alteración en la naturaleza de las sustancias, de modo que un simple reagrupamie nto de los componentes obtenidos tras la separación dará lugar, nuevamente, al sistema primit ivo. Los segundos, sin embargo, llevan consigo cambios químicos; la materia base sufre transformaciones que afectan a su naturaleza, por lo que una vez que se establece la separación, la simple reunión de los componentes no reproduce la sustancia orig inal. Las mezclas son sistemas materiales que pueden fraccionarse o separarse en sus distintos componentes por métodos físicos. Cuando los buscadores de oro lavan sobre el cedazo las arenas auríferas, procuran, mediante un procedimiento físico, separar el barro y los granos de arena de las pepitas del precioso metal. En las salinas, por efecto de la n i tensa evaporación, el agua del mar se separa en dos componentes: agua propiamente dicha, que en forma de vapor se incorpora al aire, y un conjunto de sales minerales que se acumulan en el fondo hasta que se completa la desecación. En cierto tipo de mezcla s la materia se distribuye uniformemente por todo el volumen constituyendo un sistema homogéneo. Cuando una sustancia sólida se mezcla con un líquido de tal forma que no puede distinguirse de él, se dice que la sustancia ha sido disuelta por el líquido. A la mezcla homogénea así formada se la denomina disolución (sl). En este caso la sustancia sólida recibe el nombre de soluto (st) y el líquido se denomina disolvente (sv). La noción de disolución puede generalizarse e incluir la de gases en gases, gases en líquidos, líquidos en líquidos o sólidos en sólidos. En general, el soluto es la sustancia que se encuentra en menor proporción en la disolución y el disolvente la que se encuentra en mayor proporción. Cuando dos sustancias líquidas pueden dar lugar a mezclas homogéneas o disoluciones, se dice que son miscibles. Una parte homogénea de un sistema se denomina fase. El perfume constituye una disolución en agua y alcohol de ciertas esencias, sin embargo, no es posible determinar dónde está la parte de alcohol, dónde la de agua y dónde la de esencia. Por tal motivo las disoluciones, al igual que las sustancias puras en un estado de agregación determinado, se consideran formadas por una única fase.
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Los esquemas que siguen son modelos de cuatro soluciones formadas por los mismos componentes, los círculos negros representan al soluto y los blancos al solvente, indicar si las soluciones son iguales y justif icar.
Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv =
Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv =
Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv =
Puntos blancos: Puntos negros: Relaciones: St/Sl = St/Sv =
A la relación que existe entre la cantidad de soluto y de solvente o entre la cantidad de soluto y solución, se llama concentración Dichas cantidades se pueden expresar en unidades de masa o de volumen.
La composición de las soluciones Formas de expresar la concentración Existen diferentes formas dé expresar la concentración de una disolución. Las que se emplean con mayor frecuencia supone el comparar la cantidad de soluto con la cantidad total de disolución, ya sea en términos de masas, ya sea en términos de masa a volumen o incluso de volumen a volumen, si todos los componentes son líquidos. En este grupo se incluyen las siguie ntes:
Porcentaje en masa. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien gramos de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente.
% ( m / m) =
masa de soluto × 100 masa de solución
Porcentaje en volumen. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien cm3 de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente. Para calcular el volumen a que equivale dicha masa se utiliza la densidad, sabiendo que la densidad es:
δ =m % (m / v) =
v
masa de soluto × 100 volumen de solución
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B. Práctica I. Las etiquetas de dos aguas minerales contienen la siguiente información: Conc. en mg/l
Agua “A”
Agua “B”
40 24 10 4
13.5 78 205 4.5
++
Ca ClNa+ Mg++
La dieta de una persona hipertensa debe ser reducida en catión Na+, indicar cuál de las dos marcas de agua mineral es aconsejable consumir. Justificar la respuesta.
II. Leer atentamente el texto y responder: El bronce y el oro 18 kilates son ejemplos de soluciones sólidas de metales denominadas aleaciones. El bronce es una aleación formada por cobre y estaño. El oro 18 kilates es una aleación de oro y cobre, aunque también puede estar formado por oro y plata o por oro y platino. El oro 24 kilates es oro puro, es decir se trata de una sustancia pura y no de una solución sólida.
El valor 24 es la unidad de medida de comercialización para el oro. Así “oro 24 kilates” significa que por 24 pares de ese material, 24 son de oro. De la misma manera, “oro 18 kilates” expresa que por cada 24 partes de ese material, solo 18 son de oro. El resto, es decir, 6 partes son de cobre o de plata.
A. ¿Cual es el soluto y cual es el solvente del oro 18 kilates? B. Calcular el % m/m del oro 18 kilates. C. Averiguar la masa de oro que habrá en un anillo de oro 18 kilates de 6 g. III. Investigar que metales y en qué proporciones forman las aleaciones: bronce y latón ¿Qué componentes y en qué proporción forman el acero y qué diferencia hay entre los distintos tipos de esta aleación? IV. La siguiente tabla resume los datos obtenidos en una experiencia cuando se agregan disti ntas masas de sulfato cúprico a 1000 g de agua a 25°C y 1 atm de presión. Completar, analizar los datos y sacar conclusiones. Masa de sulfato cúprico inicial (gr)
Masa de agua (sv) (gr)
Masa de solución (sl) (gr)
Masa de sulf aMasa de sulf ato cúprico to cúprico sin disuelta (st) disolver (gr) (gr)
A
50
0
B
190
0
C
210
D
300
90
E
450
240
0
1000
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% m/m
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Se define como solubilidad de un soluto en un solvente a la máxima cantidad de soluto que pueda disolverse en cierta cantidad de solvente a una determinada temperatura y presión. La solubilidad suele expresarse en g de st/100 g de sv. Cuál es el significado de: Ø Solución saturada Ø solución no saturada Ø solución sobresaturada De acuerdo con los conceptos anteriores, clasificar a las soluciones obtenidas según los datos de la tabla anterior.
V. Los grados Gay Lussac indican la concentración de alcohol en % m/v. Calcular la masa de alcohol existente en un vaso de cerveza de 250 cm3 sabiendo que la graduación alcohólica es de 4°GL.
Curvas de solubilidad VI. La trucha de lago no puede vivir mucho tiempo en concentraciones de oxigeno menores a los 9,5 mg/l; además por debajo de los 9 °C detiene su crecimiento ya que disminuye su metabolismo. El bagre puede vivir en concentraciones de oxigeno superiores a 1mg/l pero por debajo de los 18°C detiene su crecimiento. A. Teniendo en cuenta los datos que aparecen en la tabla determinados a 1 atm de presión, construir en papel milimetrado la curva de solubilidad para el oxigeno en agua. B. Marcar en el grafico la zona optima de crecimiento de cada especie. C. Expresar la concentración de la solución saturada a 16°C en % m/v. D. Marcar en el gráfico un punto que corresponda a una solución diluida e indicar la masa de soluto que debería agregarse para saturarla a la misma temperatura. ¿De qué otra manera podría saturarse esta solución? Temp °C
Con de oxígeno (mg/litro)
Temp °C
Con de oxígeno (mg/litro)
2 4 6 8 10 12 14 16 18
13.1 12.4 11.8 11.2 10.7 10.3 9.9 9.5 9.1
20 22 24 26 28 30 32 34 36
8.7 8.4 8.1 7.8 7.5 7.3 7.0 6.6 6.2
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VII. El proceso de disolución del KClO3 es endotérmico. La solubilidad aumenta al aumentar la te mperatura. En tablas encontramos los siguientes valores que indica la masa de st/100 g de agua El gráfico representa dichos valores. Temp. (°C) 10°C
masa de st (g) 5.0
20°C
7.4
30°C 40°C
10.5 14.0
50°C
19.3
g st/100g sv. 20.0 15.0
G
10.0
C
F
D
5.0 0
10
20
30
40
50
t °C
1) Marcar en el gráfico el punto de una solución que se prepara disolviendo 5.0 g de st en 100 g de agua a 20°C. ¿Qué tipo de sl es (saturada, no saturada, sobresaturada)? 2) Si a esta misma sl le agregamos 1g mas de sal, marcar en el gráfico 3) ¿La sl preparada en 2 tiene igual, mayor ó menor concentración que la resultante en 3? 4) Considerando el punto C, ¿qué tipo de sl representa? ¿A qué temp. se encuentra?. ¿Cuál es su concentración?. 5) Si tenemos 115.0 g de sl representada por el pto. C y a temp. cte. se evapora 6.3 g de agua. ¿Cuál es la concentración de la sl obtenida? Representar el punto. 6) El pto. D representa una sl saturada a 25°C. Si se enfría hasta llegar a 15°C, representado por F, ¿qué fenómeno se produjo?. 7) Si teníamos 200g en el pto. D y enfriamos hasta 15°C (pto. F), ¿qué masa de st. precipitó? 8) ¿Qué tipo de sl. Representa el pto. G. ¿Cuánta sal cristalizará para llegar a una sl saturada?
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La composición de las soluciones Formas de expresar la concentración Existen diferentes formas dé expresar la concentración de una disolución. Las que se emplean con mayor frecuencia supone el comparar la cantidad de soluto con la cantidad total de disolución, ya sea en términos de masas, ya sea en términos de masa a volumen o incluso de volumen a volumen, si todos los componentes son líquidos. En este grupo se incluyen las siguie ntes:
Porcentaje en masa. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien gramos de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente.
% ( m / m) =
masa de soluto × 100 masa de solución
Porcentaje en volumen. Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien cm3 de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente. Para calcular el volumen a que equivale dicha masa se utiliza la densidad, sabiendo que la densidad es:
δ =m % (m / v) =
v
masa de soluto × 100 volumen de solución
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Aplicación: cálculo de concentraciones 1. Se mezclan 5,00 g de cloruro de hidrógeno (HCI) con 35,00 g de agua, formándose una disolución cuya densidad a 20 ºC es de 1,060 g/cm3. Calcúlese: a) El % (m/m) b) El % (m/v) c) La concentración en gramos por litro Resolución: a) Se trata de calcular el número de gramos de soluto por cada cien gramos de solución, es
decir: b) Calculamos el volumen correspondiente a 40 g de solución
δ = mv ⇒ v = mδ v = 40 g
1,060 g / cm
3
= 37 ,7 cm 3
Ahora calculamos el número de gramos de soluto por cada 100 cm 3 de solución.
g de HCl 5,00 g 3 ⋅ 100 cm = ⋅ 100 cm3 = 13,26 % (m / v) de HCl 3 3 cm de disolución 37,7 cm c)
Habiendo calculado la masa de soluto que hay por cada 100 cm 3 de solución, es sencillo calcular la masa de soluto que hay por cada 1000 cm 3 de solución:
g de HCl 5,00 g 3 ⋅ 1000 cm = ⋅1000 cm3 = 132,6 % ( m / v ) de HCl 3 3 cm de disolución 37,7 cm
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A. Guía de actividades
Solubilidad en g st/100g de agua
1) El siguiente grafico reprsenta la variación de solubilidad de sulfato cúprico en función de la temperatura: 60 50 40 30 20 10 0
10
20 30 40 50 Temperatura en °C
60
70
a) Determinar como varia la solubilidad del sulfato de cobre en agua con la temperatura. b) ¿Cuál es la solubilidad del sulfato cúprico en agua a 35°C. c) Indicar las características de los sistemas representados por los puntos A, B, C y D d) Se mezclan 40g de sulfato cúprico con 100g de agua a 20°C, ¿cómo se puede lograr un sistema homogéneo sin modificar las masas de los componentes? 2) Sabiendo que a 18°C la solubilidad del hidróxido de litio en agua es de 12g/100cm3 de agua, indicar las características de los siguientes sistemas cuando se mezclan: a) 6g de st con 250g de agua b) 58g de st con 500g de agua c) 40g de st con 300cm3 de agua d) 6g de st con 50cm3 de agua 3) La concentración del agua lavandina s de 3.5 %m/v de hipoclorito de sodio. ¿Cuál la masa de hipoclorito de sodio que contiene un envase de 5 litros de lavandina. 4) Un médico ordena inyectar a un paciente suero glucosado. La solución utilizada posee una concentración de 5.5 g de glucosa/100 cm 3 de solución y el enfermo requiere 1.72 g de glucosa por hora. ¿Cuál es el tiempo que debe demorar en pasar un frasco de suero que contiene 250 cm3 de solución fisiológica. 5) Calcular las concentraciones en %m/m de las siguientes soluciones: a) 30g de st en 350g de sv b) 120g de st en 2.5Kg de sl. c) 2800g de sv en 3200g de sl 6) Indicar como puede prepararse 2500g de una solución de concentración 35% m/m
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7) Calcular en qué masa de cada una de las soluciones habrá 120g de soluto: a) Sl. A 30% m/m b) Sl. B 5% m/m 8) 1 cm3 de solución acuosa de cloruro de sodio, cuya densidad es de 1,15 g/cm 3 contiene disueltos 0,23 g de sal. Calcule la concentración de la solución. En: a) gr de soluto/100 g de solución b) gr de soluto/100 g de disolvente. Rta.:: a.- 20 g
b.- 25 g
9) En que masa de una solución al 2% de azúcar en agua se tiene 50 g de azúcar? Rta.:
10) Calcular la masa en gramos de Na 2CO3 es necesario para preparar 0.5 litros de solución 35% Rta.:
11) Calcular la concentración en %(m/m) de una solución preparada disolviendo 500 mg de glucosa en 0.50 Kg de agua. Rta.:
12) Con 40 g de cloruro de amonio se desea preparar una solución acuosa al 18% en peso. Calcule a) Masa de sl que puede prepararse. b) Volumen de agua en que deberá disolverse la masa de sal. Rta.: a.- 222,2 g
b.- 182,2 cm3
13) Calcule el porcentaje en peso de soluto en una solución acuosa de ácido nítrico que contiene 354 g de ácido/dm3 de solución y cuya densidad es 1,18 g/cm3. Rta.: 30%
14) Se disuelven 24gr de glucosa en 60gr de agua. Calcular la composición de la solución resultante expresada en: a) Gramos de soluto /100gr de solución. b) Gramos de soluto /dm 3 de solvente. Rta.: a) 28.6gr
b) 400gr
15) ¿Qué composición centesimal posee un sistema que se prepara disolviendo 10 g de Iodo en 70 g de etanol y diluyendo con 70 g de agua? Rta.:: 6,675 de I2
16) La composición de una solución acuosa de cloruro de níquel(ll) es 320,0gr de sal /dm3 de solución. Su densidad es de 1.280gr/cm3. Expresar la composición de esa solución en: a) Gramos de soluto /100gr de solución. b) Gramos de soluto /dm3 de solvente. Rta.:: a)25gr
b) 33.3gr
17) Se desean preparar 500 cm3 de una solución de cloruro cúprico en agua al 30% en peso (densidad 1,36 g/cm 3) a) Calcule las masas de sal y de agua necesarias. b) Expresar dicha composición en g de sal/dm3 de solución. Rta.: a)204 gr de sal y 476 g de agua
b) 408 g/dm3
18) Calcule qué volumen de una solución acuosa de metanol al 20% en peso cuya densidad es 0,97 g/cm3, contiene 300 g de dicho alcohol. Rta.:: 1546,4 cm3
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19) Se tiene una solución acuosa de ácido ortofosfórico que contiene 25gr de ácido en 100gr de agua y cuya densidad es 1.11gr/cm 3. Expresar la composición en: a) Gramos de soluto /dm3 de solución b) Gramos de soluto /100gr de solución. Rta.:: a) 222.4gr
b) 20gr
20) Una sl acuosa de H2SO 4 de concentración 10% tiene una densidad de 1,04 g/cm3. Calcular su concentración en: a) g de st/100 g de sl. c) g de st/100 cm 3 de sl b) g de st/100 cm 3 de sv d) g de st/1000 cm 3 de sv Rta.: 3
21) Se quiere preparar 500 cm de sl aq. de H2SO 4 al 30% densidad 1,20 g/cm3. Calcular la concentración expresada en: a) g de st/100 g de sl. c) g de st/100 cm 3 de sl b) g de st/100 cm 3 de sv d) g de st/1000 cm 3 de sv Rta.:
22) Una solución de sal en agua posee una densidad de δ= 1,085 g/cm 3 contiene 20 g de sal en 80 g de solución. Expresar la concentración en a) gr de sal/100 g de agua. c) % (m/v) b) % (m/m) d) gr de sal/100 ml de agua. Rta.:
23) Una solución acuosa de cloruro de amonio contiene 10.07 g de sal por litro de solución. Su densidad es de δ= 1,007 g/cm 3. Expresar la concentración en: a) % (m/m) b) gr de sal /100 g de agua c) % (m/v)
d) gr de sal /1000 g de agua e) gr de sal /100 cm 3 de agua Rta.:
24) Una sl de 7 gr de HCl en 500 gr de agua tiene una densidad de δ= 1.06 g/cm 3. Expresar la concentración en: a) Gr de ácido por litro de sl. c) Gr de ácido por 100 g de sv b) Gr de ácido por litro de sv d) Gr de ácido por 100 cm 3 de sv Rta.:
25) Una solución de KCl en agua tiene 2.5 g de sal en 40 g de sl. Expresar la concentración en: a) % (m/m) b) Cuantos gramos de sal y agua se deberá añadir a la sl para obtener 100 g de sl de la misma concentración? Rta.: a) 6.25% agua
b) 3.75 g de sal y 56.25g de
26) Se tiene una solución al 5% de densidad δ= 1.05 g/cm 3. Expresar su concentración en: c) Gr de st/ 100 cm 3 de sl d) Gr de st/ 100 gr de sl
a) Gr de st/ 100 gr de sv b) Gr de st/ 100 cm3 de sv
Rta.:
27) Hallar la concentración en %(m/v) de una solución ácida al 30% siendo la densidad de la solución de 1.20 g/cm 3. Rta.: 36% (m/v)
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28) Calcular las concentraciones en %(m/m) de las siguientes soluciones a) 40 g de st en 250 g de sv b) 100 g de st en 2500 g de sl c) 2500 g de sv en 3800 g de sl 29) calcular las masas de soluto y solvente existentes en 250 g de una solución cuya concentración es de 35% m/m 30) Calcular en que masas de cada una de las siguientes soluciones habrá 120 g de st. a) 30% b) 5% 31) Se tiene una sl de ácido nítrico comercial al 63%, que posee una densidad δ = 1.2 g/cm 3. Calcular: a) Gr de st/ 100 gr de sv c) Gr de st/ 100 cm 3 de sl b) Gr de st/ 100 cm 3 de sv d) Gr de st/ 100 gr de sl
Ejercitación de diluciones 1) A 60 gr de una sl al 25% de NaCl se la quiere llevar a una sl al 5%. Que cantidad de solución se puede preparar? Rta.: 300 gr
2) ¿Cuántos gramos de st se necesitan para preparar 20 cm3 de sl 5% (m/v).? ¿Qué Molaridad y normalidad tiene la solución obtenida si el soluto es CaCl2? Rta.:
3) Calcule la masa de solución de cloruro de aluminio al 16% en peso habrá que diluir con agua para obtener 2 Kg. de una solución al 3% en peso de dicha sal. Rta.: 375 g
4) ¿Cuántos gramos de Na2HPO 4 . 12H 2O se necesitan para preparar un litro de solución al 10% si la densidad seria de 1,09gr/cm3. Calcular también el volumen de agua necesaria para preparar dicha solución. (densidad del agua = 1gr/cm 3) Rta.:
5) ¿Cuántos gramos de Na2HPO 4 . 12H2O se deben disolver en un litro de agua para obtener una solución al 10%? Rta.:
Cuantos ml de agua hay que agregar a 800ml de solución de HNO3 65%, densidad 1.40gr/ml para obtener las siguientes soluciones: a) 10% b) 12M densidad 1.35gr/ml Rta.:
6) Calcular: a) ¿Cuántos gr de KCl hay que disolver para preparar 1Lt de solución de concentración 1mg Cl-/ml? b) ¿Cual es la concentración de iones potasio en la solución (mg K+/ml)? c) ¿Cuántos equiv. gr de K+ hay en 25ml de solución? Rta.:
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