SOLUCIONES
Puede definirse la solución como una mezcla homogénea de dos o más sustancias. Para nosotros, homogéneo significa uniforme a la observación visual, ya sea a simple vista o con microscopio. El agua de mar filtrada, es una solución de diversas sales en agua. El aire es una solución compuesta de nitrógeno, oxígeno, argón y pequeñas cantidades de otros gases.
Las soluciones pueden existir en cualquiera de los tres estados de la materia: gas, líquido, sólido. El aire es el ejemplo más conocido de solución gaseosa. Las soluciones sólidas son relativamente frecuentes: la moneda llamada "níquel" es una solución sólida de níquel y cobre. El oro de 12 quilates es una solución sólida que contiene partes iguales en peso de oro y plata. El oro de 24 quilates no contiene plata, no es una solución. Las soluciones que estudiaremos en ésta unidad serán líquidas. Entre las muchas que existen, la más importante es la solución acuosa.
Cuando una sustancia se disuelve en un disolvente determinado se dice que es soluble. Cuando no se disuelve o la hace en proporción ínfima, se dice que es insoluble. El solvente (o disolvente) es el componente que se presenta en mayor proporción en la solución, los demás componentes se llaman soluto. En las soluciones acuosas, el agua es el disolvente, así sea el componente en menor proporción.
CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES.
Es la proporción de soluto en la solución o en el solvente. Se expresa en diferentes UNIDADES de concentración físicas y unidades de
concentración químicas.
1-UNIDADES DE CONCENTRACION FISICAS.
Porcentaje peso – peso Porcentaje peso- volumen Porcentaje volumen- volumen Partes por millón.
1.1 Porcentaje peso (%p/p) = (%m/m)
(%m/m). Gramos de soluto en 100 gramos de solución.
Ejemplo: ¿Cuántos gr. de soluto hay en 250 gr de solución de HCl al 30%p/ p ?
Peso de soluto
% m/m = --- x 100 Peso de la solución
Pesos de la solución lo constituye el peso del soluto y peso del solvente.
30 x 250
Peso de soluto = --- = 75 gr HCl 100
1.2 Porcentaje masa/ volumen (%m/V)
Gramos de soluto en 100 mililitros de solución,. El volumen de solución en ml.
Peso de soluto % p/v = --- x 100 Volumen de la sln
Ejemplo: ¿Cuántos gramos de NaOH se necesitan para preparar 250 ml de solución al 5 %P/V?
5 x 250
Peso de soluto = --- = 12,50 gramos de NaOH 100
1.3 Porcentaje volumen/ volumen (% v/v)
Gramos de soluto en 100 mililitros de solución,. El volumen de solución en ml.
Volumen de soluto % p/v = --- x 100 Volumen de la sln
Ejemplo: ¿Cuántos ml de ácido sulfúrico (H2SO4) hay en 300 ml de una solución al 20% en volumen.
20 ml de (H2SO4) x 300 ml de solución ml de (H2SO4) = --- = 60 ml
1.4. Partes por millón (ppm).
Miligramos de soluto en 1,0 litro de solución. Volumen de la solución (lts) = V(ml) x 1 lt/1000 ml
Miligramos de soluto = (gr) x (1000 mgr/1 gr)
mg de soluto mg de soluto
p.p.m = ---, o bien p.p.m = ---
L Kg Ejemplo: ¿Cuál será la concentración, en p.p.m, de una muestra de 350 ml de solución de fluoruro de sodio en agua, que contiene 0,00070 g de esta disuelta.
Primero se hace la conversión a las unidades requeridas en la formula: 350 ml = 0,350 L de solución, y 0,00070 g = 0,70 mg
Luego aplico la formula.
mg de soluto 0,70 mg de soluto
p.p.m = --- p.p.m = ---= 2 mg/L
L 0,350 L R/: La solución contiene 2 p.p.m de NaF, que es equivalente a 2 mg por litro.
2. UNIDADES DE CONCENTRACION QUIMICAS
2.1 Molaridad (M). Es la forma más usual de expresar la concentración
en 1,0 litro de solución. Alternativamente, se puede expresar como milimoles de soluto disueltos en ml de solución.
Matemáticamente se expresa así:
N° de moles de soluto n( moles )
M = --- es decir, M = ---
Litro de solución V (L)
Ejemplo: Para una reacción química se necesitan 3. 5 moles de una solución de KOH 0,5 M (ó 0,5 Molar).¿Cuántos ml de solución se deben medir?
N° de moles de soluto 3,5 moles M = --- despejamos V = ---= 7 litros Litro de solución 0,5 moles/L
7L= 7000 ml
2.2 Molalidad (m).
Moles de soluto por kilogramo de solvente. Si el solvente es agua, 1 kg de agua es 1,0 litro
2.3 Normalidad(N).
Es otra de las unidades de mayor aplicación en química, especialmente en análisis. Se define como los equivalentes de soluto en un litro de solución. Se expresa como:
N° de equivalentes –gramo de soluto N = Volumen de solución (L)
CONCEPTO DE EQUIVALENTE
El concepto de equivalente gramo o equivalente químico ha sido desarrollado especialmente para referirse a ácidos y bases. Así, un equivalente gramo es la masa de sustancia (acido, base) capaz de producir un mol de iones H+ o OH- , según el caso. Para pasar de moles a gramos se emplean las masas moleculares de las sustancias involucradas. Por, ejemplo, un mol de HCl cuyo peso molecular es 36,5 g, se ioniza para producir un mol de H+, por tanto el peso de un equivalente gramo (abreviado peqg) de HCl es 36,5 g. En el caso de ácidos o bases que generan más de un mol de OH- o H+, por ejemplo, el H
2SO4 o el
Masa molecular del H2SO4 98 g
1 peqg de H2SO4 = --- =---=49,0 g
2H 2
En cuanto al hidróxido de aluminio, 1peqg es igual a 26g, que es la tercera parte de su masa molecular
Ejemplo: ¿Cuál será la normalidad de una solución de NaOH que contiene
8 g de NaOH en 200 ml de solución?
En primer lugar vamos a calcular el peso equivalente gramo del NaOH:
Masa molecular del NaOH 40g
1peqg de NaOH = --- = ---= 40g
N° de iones disociados 1
Como se tienen 8 g de NaOH, entonces el número de equivalentes presentes será:
N° peqg de NaOH = 8g de NaOH x 1 eq de NaOH/40g N° peqg de NaOH = 0,20
Ahora expresamos el volumen de solución en litros así: 200 ml x 1 L
V de solución (L) = --- = 0,200 L 1000 ml
Remplazando en la formula, tenemos: 0,20 eqg
N = --- = 1 0,200 L
R/: La concentración de la disolución es 1 normal (1N)
Ejemplo: ¿Cuántos gramos de ácido sulfúrico H2SO4 están contenidos en 500 ml de solución 0,50 N de ácido
N° de equivalentes –gramo de soluto N = Volumen de solución (L)
Conocemos la normalidad y el volumen de la solución. Luego, para dar solución a este problema debemos:
a- Calcular el N° de pesos equivalentes gramos de acido y, b- Expresar los pesos equivalentes gramo en gramos de H2SO4 N° de equivalente gramo de acido
a- Si N= --- , entonces V del acido
N° peqg de ácido
0,5 = --- = 0,25 N° peqg de acido
0,500 L de solución
b- Ahora transformamos los 0,25 peqg de acido en gramos de H2SO4 Recordamos que un peso equivalente gramo de H2SO4 equivale a 49 g, entonces:
0,25 peqg x 49 g
g de H2SO4 = --- = 12,25 g 1 peqg
3. SOLUBILIDAD.
La solubilidad (S) se expresa comúnmente en gramos de soluto que se disuelven en 100 gramos de solvente. La Figura 1 muestra la solubilidad de algunos solutos en agua.
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Algunos solutos y solventes son completamente solubles entre sí, son miscibles en cualquier proporción. El alcohol etílico, C2H5OH, y el agua son solubles en todas las proporciones y los gases son totalmente miscibles entre sí. Otros solutos son parcialmente solubles en una cantidad definida de solvente a una temperatura dada. Generalmente, un aumento de la temperatura aumenta la solubilidad.
Para interpretar estos diagramas de solubilidad vs. Temperatura nos vamos a referir a la Figura 2. Todos los puntos situados en la curva
de solubilidad corresponden a la solubilidad de la sustancia A en
El punto 2, pertenece a la curva, significa lo siguiente: “a 50° C se
disuelven completamente 38 gramos de soluto”. Se dice que la solución en este momento se encuentra SATURADA.
El punto 1, región por debajo de la curva, corresponde a una solución cuyo solvente puede disolver más soluto (la cantidad máxima que se disuelve corresponde al punto 2). En el punto 1 de la Figura, las coordenadas corresponden a 500 C y S igual 20. Es decir, 20 gramos de sustancia A (el soluto) a 500 C se
disuelven completamente en 100 gramos de solvente. Podemos agregar 18 gramos más de soluto y aún así, el soluto se disuelve en el solvente. Se dice que una solución está INSATURADA cuando el solvente está en capacidad de disolver más soluto. En la gráfica son todos los puntos situados por debajo de la curva de solubilidad (como el punto 1, y el punto 6).
Continuamos con el recorrido 1 - 2- 5 de la Figura 2. Estando en el punto 2, seguimos agregando más soluto hasta llegar al punto 5. En 2 teníamos 38 gramos de soluto (= solubilidad), al llegar a 5 se han agregado 50 gramos de soluto. Cantidades por encima de 38 gramos no se disuelven más y se precipitan en el fondo del recipiente. En este punto se dice que la “solución” está SOBRESATURADA. En realidad, las soluciones sobresaturadas no existen, porque el exceso de soluto se va al fondo del recipiente, y el líquido no contiene el exceso del soluto. El líquido sobre nadante es una solución saturada. Esta “solución”
sobresaturada se puede convertir en saturada momentáneamente con una pequeña agitación. Cuando cesa la agitación, el exceso de soluto se precipita.
PROCESO DE DISOLUCION
Los procesos de disolución son complejos y difíciles de explicar. El fenómeno esencial de todo el proceso de solución es que la mezcla de sustancias diferentes da lugar a varias fuerzas de atracción y repulsión cuyo resultado es la solución. Las fuerzas pueden ser electrostáticas, dipolo-dipolo, de Van der Walls, puentes de hidrógeno, etc.
En general puede considerarse que cuando se agrega un soluto a un solvente, el primero comienza a disolverse aumentando poco a poco la concentración de la solución, hasta que permanece constante cuando se ha disuelto todo el soluto. La cantidad de soluto que se disuelve depende de la cantidad del mismo, del volumen del disolvente, de la temperatura, del estado de agregación del soluto, etc.
Otro factor que influye para que una sustancia se disuelva es la polaridad de los componentes que entran en la solución. Las sustancias polares son solubles en sustancias polares, las apolares en apolares.
o electrovalente, el agua es un compuesto covalente polar. El ión negativo de la sal, Cl-, es atraído por la parte positiva del dipolo del agua y el catión de la sal, Na+ es atraído por la parte negativa del dipolo del agua. El resultado de éste proceso son una serie de fuerzas de atracción dipolo- ión, responsables de la disolución de la sal en el solvente. Los iones entran a la solución rodeados por un gran número de moléculas de agua. Este proceso se llama solvatación, es decir, la interacción de moléculas del solvente (H2O), con moléculas, átomos o iones (en nuestro caso la sal), para formar agregados en solución.
Cuando el disolvente no es capaz de disolver más partículas de soluto, éstas no se disuelven dando lugar a una solución sobresaturada. Si el soluto es sólido, se depositará en el fondo del recipiente. Todo el sistema será una mezcla heterogénea. La parte de mezcla encima del sólido si es una solución.
El punto de equilibrio, en donde el solvente disuelve la cantidad máxima de soluto sin que la solución sea sobresaturada, corresponde a un estado llamado saturación. Se dice que la solución está saturada. La cantidad máxima de soluto que se disuelve se llama solubilidad y es característico de cada sustancia. Así, la solubilidad es una propiedad física. Una solución con una cantidad de soluto inferior a la solubilidad está insaturada.
ACTIVIDAD 1
Estudie y comprenda el ejemplo siguiente:
¿Cuántos gramos de nitrato de plomo, Pb(NO3)2 se disuelven en 500 ml de agua a 30 y 70 oC?. Si la solución a 70 grados, se enfría hasta 55 grados, ¿cuántos gramos de soluto cristalizan o precipitan? (Ver figura 1).
ACTIVIDAD 2
En la gráfica a continuación (figura 3) se presenta la curva de solubilidad de una sustancia Y a 1 atm de presión y diferentes temperaturas. Responda con éste diagrama las preguntas 1 y 2.
1. Si se agregan 75 g de sustancia Y, en 100 gramos de agua, a 80 °C, de acuerdo con la gráfica se puede decir que
A. 165 gramos de sustancia Y permanecen sin disolver B. La sustancia Y se disuelve totalmente
C. La sustancia Y permanece sin disolver
2. Si en el recipiente se encuentran contenidas 75 gramos de sustancia Y en 100 gramos de agua a 20 0C, se puede afirmar que el recipiente contiene
A. Mezcla heterogénea concentrada B. Solución sobresaturada
C. Mezcla heterogénea diluida D. Solución saturada.
3. Responda esta pregunta con las curvas de solubilidad de la figura 1. A 60 °C, la solubilidad del Cloruro de Potasio (KCl) es de 45,5 gramos en 100 gramos de agua; y a 10° C, Ia solubilidad es de 31,0 gramos en 100 gramos de agua. A 60 0C, se tiene una solución saturada de 45,5 gramos de KCl en 100 gramos de agua. Al disminuir la temperatura hasta 10 0C, se espera que
A permanezca disuelto todo el KCl
B. 31,0 gramos de KCl no se solubilicen
C.14,5 gramos de KCl no se solubilicen