Page. Tema 1 Disoluciones. Terminología MATERIA: Cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. Es todo lo que nos rodea.

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Tema 1

Disoluciones

Material preparado por: Lic. Victoria Chan Revisado por: MSc. Lilliana Abarca

Bibliografía:

Chang, R. Química, Mc Graw Hill, 7ma ed. 2003, México. pp. 8-10, 106, 468-470

1.4 Preparación de disoluciones 1.3 Clasificación

1.2 Factores que afectan la solubilidad 1.1 Terminología

Disoluciones Preparado por

V.Chan/Esc.Química/ITCR

2 _{MATERIA: Cualquier cosa que ocupa}

espacio y tiene masa. Es todo lo que nos rodea.

SUSTANCIA: Forma de materia que tiene una composición constante, definida y propiedades características.

ELEMENTO: Sustancia que no puede

separarse en sustancias más simples por métodos químicos. Se han identificado 115 elementos.

COMPUESTO: Sustancia formada por

átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. Terminología

Disoluciones Preparado por 3

_MEZCLA:

Combinación de dos o más sustancias en la cual cada una mantiene su identidad (las sustancias conservan sus propiedades características).

Son de composición variable.

Se pueden separar en sus componentes puros por métodos físicos sin cambiar la identidad de éstos.

Pueden ser: sólidas, líquidas o gaseosas. Terminología

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Disoluciones Preparado por V.Chan/Esc.Química/ITCR

4

Se subdividen en: mezcla homogénea y

mezcla heterogénea.

_{MEZCLA HOMOGÉNEA: Es uniforme, su}

composición es la misma en su totalidad.

_{MEZCLA HETEROGÉNEA: Consiste en}

partes distintas físicamente, cada una con propiedades diferentes. Su composición no es uniforme.

Terminología

Disoluciones Preparado por V.Chan/Esc.Química/ITCR 5 Materia

Mezclas Sustanciaspuras

Mezclas

homogéneas _{heterogéneas}Mezclas Compuestos Elementos

Separación por métodos físicos Separación por métodos químicos

DISPERSIÓN: Mezcla formada por dos o

más componentes. Compuesta por una fase dispersa y fase dispersante.

_{FASE: Porción físicamente distinta de}

materia.

_{FASE DISPERSA: Es la fase que se}

encuentra en menor cantidad de moles con respecto de la totalidad de la mezcla.

_{FASE DISPERSANTE: Es aquella que se}

encuentra en mayor cantidad de moles con Terminología

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7

DISOLUCIÓN: Mezcla homogénea de dos o

más sustancias. Compuesta por soluto y disolvente.

_{El soluto es la sustancia presente en menor} cantidad de moles y el disolvente es el que se encuentra en mayor cantidad (en moles) en una disolución.

Disolución acuosa: disolución en la que el disolvente es agua.

Terminología

8 MISCIBLE: Cuando dos fluídos (líquidos y

gases) son solubles entre sí en todas proporciones.

INMISCIBLE: Cuando dos líquidos o fluídos no se mezclan.

SOLUBLE E INSOLUBLE, son términos más

generales y se aplican a cualquier estado de agregación.

Terminología

SOLUBILIDAD: Máxima cantidad de

soluto (en número de moles o de

partículas) que puede disolverse en una

cantidad determinada de disolvente

para obtener una disolución a una

temperatura dada.

Se considera que una sustancia es insoluble si la cantidad presente es menor de 0,02 moles de soluto por litro de disolvente. Terminología

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10

PROCESO DE DISOLUCION

(sección 12.2 del Chang, 7ma edición, 2003)

En los estados líquido y sólido, las moléculas se mantienen unidas por atracciones moleculares. Cuando un soluto se disuelve en un disolvente, las

partículas del soluto ocupan posiciones de las moléculas de disolvente.

El que una partícula de soluto pueda reemplazar a una de disolvente depende de la fuerza de las interacciones:

– SOLUTO-SOLUTO S-S

– DISOLVENTE-DISOLVENTE D-D

– SOLUTO-DISOLVENTE S-D

11 PROCESO DE DISOLUCIONTomado del Chang,R.Química. 7ma

edición,Cap.12 Etapa 2 Etapa 3 Disolución Soluto Disolvente Etapa 1 ∆ ∆ ∆ ∆_H dn= ∆∆∆∆H1+ ∆∆∆∆H2+ ∆∆∆∆H3

El proceso puede ser endotérmico (∆H +) o exotérmico (∆H -)

Las etapas 1 y 2 son endotérmicas (se requiere energía para separar las fuerzas de atracción intermoleculares) Etapa 1:Separación de las

partículas de disolvente Etapa 2: Separación de las partículas de soluto Etapa 3: Solvatación

Solvatación: Proceso en el cual el soluto (ión o molécula) es rodeado por moléculas de disolvente, distribuidas de una forma específica.

Hidratación: Si se usa como disolvente al agua.

El proceso de solubilidad se considera un proceso físico si ocurre una solvatación e hidratación y un proceso químico si ocurre una ionización.

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13 Si la atracción S-D es más fuerte que la

atracción S-S ó D-D , el proceso de disolución es favorable o exotérmico (∆Hdn< 0).

Si la atracción S-D es más débil que la atracción S-S ó D-D; el proceso de disolución es endotérmico (∆Hdn> 0).

PROCESO DE DISOLUCION

14 El proceso de disolución está regido por dos

factores:

a) Energético, determina si el proceso es endotérmico o exotérmico.

b) Aleatorio, este factor se refiere a la tendencia natural hacia el desorden o entropía.

El factor aleatorio justifica el por qué un soluto puede disolverse en un disolvente aún si la atracción entre sus propias partículas es más fuerte que la atracción S-D (proceso de disolución endotérmico). _{Al mezclar las partículas de soluto y}

disolvente se produce un aumento en el desorden o entropía.

El aumento en el desorden del sistema favorece la solubilidad de una sustancia. PROCESO DE DISOLUCION

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16 Por lo general:

_{En un proceso de disolución endotérmico,} un aumento de temperatura aumenta la solubilidad de la sustancia en un determinado disolvente.

_{En un proceso exotérmico un aumento de} temperatura disminuye la solubilidad. PROCESO DE DISOLUCION

17 Si una sustancia con proceso de disolución

endotérmico aumenta su solubilidad al aumentar la temperatura; significa que el factor aleatorio está influyendo más que el energético.

Recuerde:

El proceso de disolución está acompañado por un aumento de desorden.

Depende de: 1. La agitación.

2. El grado de subdivisión. 3. La temperatura.

4. La presión en el caso de los gases.

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19

Velocidad de disolución

La velocidad de disolución aumenta con: 1. La agitación ya que habrá mayor contacto

entre las partículas de soluto y de disolvente. 2. Un aumento en el grado de subdivisión de

las partículas sólidas o líquidas (ésta última por aspersión por ej), puesto que se aumenta la superficie de contacto y habrá mayor exposición de partículas S-D.

20 3. Un aumento de la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas, hay mayor posibilidad de separación de las partículas de S y las de D; se disminuye el tiempo para que se dé el proceso de disolución.

4. Un aumento de presión en sistemas gaseosos, aumenta el contacto de las partículas S-D.

Velocidad de disolución

Naturaleza de las sustancias.

Temperatura.

Presión (sólo para sistemas L-G).

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22 i. Tipo de sustancias

ii. Polaridad

iii. Constante dieléctrica del disolvente

NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS

repasar capítulos 9,10 y 11 del Chang,R. Química. 7ma ed.

Factores que afectan la solubilidad

23 i. Tipo de sustancias(cap.9 y 20, Chang. R

¨Química¨):

Iónicas

Covalentes

Metálicas

se clasifican antes de aplicar concepto de fuerzas intermoleculares o interpartículas

1NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS

Sustancia Enlace Fuerza interpartícula

Iónica Iónico Iónicas

Metálica Metálico Metálicas Covalente Covalente Dp-Dp

Puente de hidrógeno Di-Di

Otras fuerzas interpartículas a considerar son: Di-Dp, Dp-Di,Ión-Dp, Ión-Di

1_{NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS}

i. i. i.

(9)

25 Factores que afectan la solubilidad

ii. ii. ii. ii. PolaridadPolaridadPolaridadPolaridad

ii. Polaridad: Este concepto se aplica sólo a las sustancias covalentes (moléculas).

Fuerzas intermoleculares: son fuerzas de atracción entre las moléculas responsables de las propiedades macroscópicas de la materia (ej; temperatura de ebullición, de congelación). Comprenden las fuerzas Dp-Dp; Di-Di (fuerzas

de van der Waals) y la particular puente de hidrógeno. Repasar el concepto en Sección 11.2, ¨Química¨, Chang. R.

Polarizabilidad: Facilidad con se puede distorsionar la densidad electrónica de un átomo o molécula.

26 Una sustancia se solubiliza en otra si las

magnitudes de las fuerzas interpartículas del soluto y del disolvente son semejantes. En este curso no se permite hacer la

generalización¨ igual disuelve a igual¨ Factores que afectan la solubilidad

ii. ii. ii. ii. PolaridadPolaridadPolaridadPolaridad

MAGNITUDES DE LAS FUERZAS

Tipo de fuerza Energía (kJ/mol)

Dp-Dp 4 a 25 Di- Di 0,08 a 42 Di-Dp 0,08 a 8,4 Puente de Hidrógeno 8 a 42 Ión molécula 42 a 669 Enlace iónico 603 a 1036

Factores que afectan la solubilidad

(10)

28 El proceso de disolución puede interpretarse en términos de fuerzas eléctricas que operan entre las moléculas (compuestos covalentes) que ionizan y los iones (compuestos iónicos). Los disolventes difieren en cuanto a su

capacidad para reducir la atracción entre los iones (+) y los (-) del soluto.

iii. Constante dieléctrica del disolvente (εεεε) (Longo.F.

Química General Universitaria)

29

La atracción de dos iones en el vacío a una determinada distancia se denomina F (fuerza de atracción), pero si hay otra sustancia (el disolvente) en el espacio que separa a estos iones, la F disminuye.

F = q1* q2

ε

r2 F: fuerza de atracción entre iones q₁y q₂: cargas de los iones

r: distancia separación entre las cargas

ε

_{: constante dieléctrica del disolvente}

iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε)

Correlación entre constante dieléctrica-polaridad

Por lo general:

Los líquidos polares tienen ε altas y los líquidos con ε baja son no polares. Factores que afectan la solubilidad

(11)

31 La temperatura de la disolución afecta la solubilidad de la mayoría de las sustancias. Como tendencia general si el proceso de

disolución es:

ENDOTÉRMICO: un aumento de

temperatura favorece la solubilidad.

EXOTÉRMICO: un aumento de temperatura

disminuye la solubilidad. Factores que afectan la solubilidad 2

22

2 TEMPERATURA (sección 12.4, Química. Chang,R. 2003)

32

Por lo general (HAY EXCEPCIONES!):

Los sólidos presentan procesos de

disolución endotérmicos .

Los gases presentan procesos de

disolución exotérmicos.

En el caso de los líquidos es

variable.

ver material de apoyo del folleto

2TEMPERATURA

La solubilidad aumenta al aumentar la temperatura (proceso de disolución endotérmico)

Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12

Temperatura y solubilidad

(12)

Disoluciones Preparado por V.Chan/Esc.Química/ITCR 34 12.4 S o lu b ilid a d Temperatura Temperatura y solubilidad

En los líquidos, por lo general (HAY EXCEPCIONES!):

La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura (proceso de disolución endotérmico)

Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12

35 La presión sólo afecta a sistemas gas-líquidos.

La relación cuantitativa entre la solubilidad de los gases y la presión está dada por la ley de Henry.

3 PRESION (sección 12.5, Quimica. Chang.R.2003)

La ley de Henry establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas en la disolución.

c = k P

c: concentración molar (mol/l) del gas disuelto o solubilidad k: constante de proporcionalidad

P: presión (en atm) del gas sobre la disolución

3 _PRESION

bajo P bajo c

alto P alto c

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37 Se clasifican por: (ver material de apoyo del Folleto)  ESTADO DE AGREGACION:

_{disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas.}

 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA:

disoluciones electrolíticas (fuertes y

débiles).

disoluciones no electrolíticas.

 CONCENTRACION:

diluidas y concentradas.

Insaturada, saturada ó sobresaturada. CLASIFICACION DE LAS DISOLUCIONES

38

Clasificación de disoluciones 1 ESTADO DE AGREGACION: Está dado por lo general por el disolvente.

Se pueden encontrar disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas.

Na-K fundido Sólido

Sólido Líquida

NaCl en agua, sirope, agua potable, éter-iodo

Sólido

Líquido _Líquido _{Etanol en agua, gasolina} Refrescos gaseosos Gas

Bronce (Cu-Sn), acero (Fe, C, Mn) Sólido Sólido Sólido Ejemplos Estado de agregación Aire puro Gas Aire húmedo Líquido Gas Gas H2gaseoso en Pd, Pt-O2 Gas amalgama (Hg-Ag) Líquido Soluto Disolvente Disolución

2 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA :

En disoluciones acuosas la conducción de la corriente eléctrica se da por la migración o movimiento de los iones presentes en la disolución.

Si no existe la presencia de iones en disolución no se produce la conductividad eléctrica.

La conductividad eléctrica de las

disoluciones dependerá de presencia y de la libertad de movimiento de los iones.

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40 _{Conforme aumenta la concentración de la}

disolución, la conductividad no

necesariamente aumentará ya que: los iones presentes tienden a unirse en pares iónicos o no pueden moverse libremente por

impedimento estérico.

La presencia de un par iónico reduce el número de partículas en disolución. La migración neta disminuye al igual que la

conductividad eléctrica (ver material de apoyo).

Clasificación de disoluciones 2Conductividad eléctrica

41

La presencia de iones en una disolución electrolítica, se puede dar por los procesos de:

Disociación: compuestos iónicos (sales) que entrar en contacto con el agua se separa en sus iones respectivos.

Ej: NaCl_(s)+ H₂O _(l) ⇌ Na +

(ac) + Cl-(ac) Ionización: Compuestos covalentes (moléculas) que en disolución acuosa producen iones.

Ej: HCl(ac) + H2O(l)⇌ Cl-(ac)+ H3O+(ac) Clasificación de disoluciones

2Conductividad eléctrica

Las disoluciones se clasifican en electrolíticas y no electrolíticas.

Disolución electrolítica: es aquella que posee iones en disolución.

_{Conducen la corriente eléctrica y se}

clasifican en fuertes y débiles, dependiendo de la cantidad de iones presentes en la disolución.

(15)

43 Disolución electrolítica fuerte: Puede ser producto de la disociación de una sal o de la ionización de un compuesto covalente en su totalidad.

Las sales (se disocian).

Acidos y bases fuertes (se ionizan). La intensidad eléctrica es fuerte.

Clasificación de disoluciones 2_{Conductividad eléctrica}

44 Disolución electrolítica débil: Se da en los compuestos covalentes que no ionizan al 100% sino que lo hacen parcialmente. Acidos y bases débiles.

Algunos ejemplos: ácido acético, ácido bórico, ácido sulfuroso, amoniaco, trimetilamina, hidroxilamina y metilamina entre otros.

La intensidad eléctrica es débil.

Disoluciones no electrolíticas: Son disoluciones que no producen iones no conducen la corriente eléctrica.

La mayoría de los compuestos covalentes (moléculas) no producen iones en disolución. Ej: azúcares (ej: sacarosa, fructosa, glucosa), urea, los alcoholes, hidrocarburos,

hemoglobina entre otros.

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Disoluciones Preparado por V.Chan/Esc.Química/ITCR 46 O2, C12H22O11, N2, C6H6 Covalentes que no ionizan Ninguna No electrolítica RCOOH, NH3, R3N, HCN Algunos covalentes que ionizan parcialmente Poca Electrolítica débil KCl,CuSO4,HCl, H2SO4, HNO3 Iónico, algunos covalentes que ionizan casi 100% Mucha Electrolítica fuerte EJEMPLOS TIPOS DE SOLUTO CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DISOLUCION

Clasificación de disoluciones por conductividad eléctrica

47 El cuadro de constantes de acidez (folleto de práctica) le dará

una idea de los ácidos y bases fuertes y débiles.

Los ácidos y bases fuertes son disoluciones electrólíticas fuertes (ej: HClO4, H2SO4, HI, HBr, HNO3, HCl son ácidos fuertes; NaOH, KOH, LiOH (hidróxidos de los grupos I y II) son bases fuertes. Los ácidos y bases débiles producen disoluciones

electrolíticas débiles (ácidos débiles: H2SO3, H₃PO₄, HNO₂, HF, H₂CO₃,HClO, HCN entre otros; los ácidos orgánicos como HCOOH, C6H5COOH, CH3COOH; las bases débiles NH3, HONH2, H2CNNH2)

Cómo determinar si un soluto formará una disolución electrolítica fuerte o débil ó una disolución no

electrolítica?

Cómo determinar si un soluto formará una disolución electrolítica fuerte o débil ó una disolución no

electrolítica?

Las sales (compuestos iónicos) en disolución acuosa producen disoluciones electrolíticas fuertes.

Los haluros y cianuros provenientes de metales pesados producen disoluciones electrolíticas débiles, ej: PbI2.

(17)

49

3_{CONCENTRACION:}

Es la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de disolución.

Las disoluciones se pueden clasificar como:

Diluídas y concentradas. En esta clasificación es necesario tener otra disolución para compararlas.

Saturadas, insaturadas y sobresaturadas.

Clasificación de disoluciones

50 Una disolución concentrada se puede obtener a partir de :

Un reactivo puro.

Una disolución diluída a la cual se le adiciona más soluto o por evaporación del disolvente (siempre que no haya reacción ni que el soluto se evapore).

Clasificación de disoluciones 3Por concentración

Disolución saturada: Es aquella que tiene la máxima cantidad de soluto (en moles o número de partículas) disuelto en una cantidad dada de disolvente a una temperatura específica.

Disolución insaturada: Contiene menos cantidad de soluto (en moles o número de partículas) que la que es capaz de disolver. Disolución sobresaturada: Contiene mayor

cantidad de soluto que la disolución saturada.

CURVAS DE SOLUBILIDAD

Clasificación de disoluciones 3_{Por concentración}

(18)

52

Disolución Disolución acuosa

Disolver: Término que se aplica cuando un sólido se solubiliza en un líquido.

Dilución: Procedimiento para preparar una disolución menos concentrada a partir de otra más

concentrada.

Alícuota: Muestra líquida obtenida de una totalidad mediante la técnica de medición de volúmenes utilizando para ello equipo con baja incertidumbre.

PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES

Terminología

53

• Unidades de concentración:

Porcentajes: en masa (%m/m), *en volumen (% /v),*masa-volumen (% m/v).

*Molaridad: M Molalidad: m Fracción molar: X Partes por millón: ppm

*cuando las unidades de concentración conllevan volumen, dependen de la temperatura

FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

Las unidades de concentración que

dependen de la temperatura son aquellas en la cual se involucra el volumen. El volumen de un cuerpo varía (se expande

o se contrae) con la temperatura, no así su masa por lo que a menudo se utiliza ésta. La relación entre la masa y el volumen se

da con la densidad, D = masa / volumen FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

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Disoluciones Preparado por V.Chan/Esc.Química/ITCR 55 Porcentajes En masa % m/m = masa de soluto (g) x 100 % masa de disolución (g) *En volumen % v/v = volumen de soluto (ml) x 100 % volumen de disolución (ml)

*En masa- volumen

% m/v = masa de soluto (g) x 100 % volumen de disolución (ml) * Depende de la temperatura

Masa disolución = masa soluto + masa disolvente

56

*Molaridad (M)

M = cantidad de materia soluto (mol) volumen de disolución (l) Molalidad (m)

m = cantidad de materia soluto (mol) masa de disolvente (kg) Fracción molar (X)

XA= cantidad de materia A (mol) cantidad de materia total ** (mol)

* Depende de la temperatura ** se refiere a la disolución

Partes por millón: ppm

Hay dos formas para expresarlo: ppm = masa de soluto (mg) masa disolución (kg) ó *ppm = masa de soluto (mg) volumen de disolución (l) * Depende de la temperatura ** se refiere a la disolución FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

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Tema 1

Disoluciones

MEZCLA:

SOLUBILIDAD: Máxima cantidad de

soluto (en número de moles o de

partículas) que puede disolverse en una

cantidad determinada de disolvente

para obtener una disolución a una

temperatura dada.

PROCESO DE DISOLUCION



Naturaleza de las sustancias.



Temperatura.



Presión (sólo para sistemas L-G).

NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS

ε

ε

Por lo general (HAY EXCEPCIONES!):

Los sólidos presentan procesos de

disolución endotérmicos .

Los gases presentan procesos de

disolución exotérmicos.

En el caso de los líquidos es

variable.

_MEZCLA: