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MATERIALES I
Trabajo Práctico N° 1: Preparación de soluciones
CONCEPTOS TEÓRICOS Soluciones
Cuando dos o más sustancias puras se mezclan y no se combinan químicamente, tiene lugar una mezcla. Una mezcla no tiene composición química definida y puede ser separada en sus componentes por métodos físicos. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas. Las mezclas homogéneas, conocidas con el nombre de soluciones o disoluciones, son totalmente uniformes (no presentan discontinuidades al ultramicroscopio) y presentan iguales propiedades y composición en todos los puntos de su masa (sistema monofásico). Las mezclas heterogéneas, conocidas también como dispersiones, no son uniformes y poseen diferentes propiedades en distintos puntos de su masa y presentan superficies de discontinuidad (sistemas polifásicos).
Así, podemos definir a las soluciones como mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación. El aire de la atmósfera o el agua del mar son ejemplos de soluciones. La importancia del estudio de las soluciones surge porque la mayor parte de los procesos químicos ocurren en solución.
Como las soluciones son mezclas deben estar constituidas, por lo menos, por dos sustancias. Se suele considerar que la que está en mayor proporción disuelve a la otra y se llama solvente (o disolvente), la disuelta se llama soluto. Las expresiones de solvente y soluto no son demasiado específicas y no debe tratarse de dar a cada una un significado exacto. Por ejemplo, en una mezcla en partes iguales de agua y alcohol es imposible decir qué líquido ha disuelto al otro.
Dos sustancias pueden mezclarse, a veces, en todas proporciones, por ejemplo el alcohol y el agua. En otros casos, la cantidad de una de ellas que puede disolverse en una cierta cantidad de la otra, es limitada como por ejemplo el cloruro de sodio y el agua. La solubilidad es la medida o magnitud que indica la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una cantidad determinada de solvente, a una temperatura determinada. Las unidades de expresión para la solubilidad son variadas, en general se expresa en g de soluto/100 g de agua a 20ºC ó 25ºC.
Tipos de soluciones con respecto a la solubilidad
- Solución Insaturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es inferior a la que indica su solubilidad. Esta solución se reconoce experimentalmente agregándole una pequeña cantidad de soluto y ésta se disolverá.
- Solución Saturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es igual a la que indica su solubilidad. Este tipo de solución se reconoce experimentalmente agregándole una pequeña cantidad de soluto y ésta no se disolverá.
2 - Solución Sobresaturada: Es aquella en que la cantidad de soluto disuelto es mayor a la que indica su solubilidad. Este tipo de solución se reconoce experimentalmente por su gran inestabilidad ya que al agitarla o al agregar un pequeño cristal de soluto (cristal de siembra o semilla de cristal) se provoca la cristalización del exceso de soluto disuelto.
Factores que condicionan o modifican la solubilidad.
- Temperatura: Este factor solo modifica la solubilidad de solutos sólidos y gaseosos, los líquidos no sufren ninguna alteración en su solubilidad. En el caso de los sólidos, en general, un aumento de la temperatura provocará un aumento de la solubilidad (aunque existen casos donde la solubilidad prácticamente no varía y otros casos donde al aumentar la temperatura la solubilidad disminuye). En cambio, en el caso de los gases, un aumento de la temperatura produce siempre una disminución de la solubilidad.
- Presión: Este factor no produce alteración alguna en las solubilidades de sólidos y líquidos. La presión modifica considerablemente la solubilidad de un gas y actúa de la siguiente forma: un aumento de la presión producirá siempre un aumento de la solubilidad del gas y viceversa, siempre que la temperatura permanezca constante (ya que la temperatura también modifica la solubilidad de un gas).
- Naturaleza Química del Soluto y el Solvente: Este factor podemos tomarlo en términos sencillos en el siguiente sentido: una sustancia podrá ser muy soluble en un determinado solvente, pero esto no permite asegurar que lo sea en otros solventes. La “Naturaleza Química” tiene que ver con el tipo de unión o enlace químico que posee el soluto y el solvente, esto se puede resumir en la siguiente frase: “Lo semejante disuelve a lo semejante”. Esto es, los compuestos iónicos (sal de mesa) y los polares (azúcar) se disuelven en solventes polares (agua) y los compuestos no polares (aceite) se disuelven en solventes no polares (nafta).
Tanto la agitación como el grado de división de un soluto (molido o trozos grandes) no son factores que modifican el valor de la solubilidad, el único efecto que ellos producen es modificar la velocidad del proceso de disolución.
Dos situaciones importantes con respecto a la solubilidad:
- Si dos solutos son solubles en un mismo solvente, dependiendo de las cantidades (pequeñas) pueden disolverse ambos sin ninguna dificultad, pero en general la sustancia de mayor solubilidad desplaza de la solución a la de menor solubilidad.
- Si un soluto es soluble en dos solventes inmiscibles (no se mezclan) entre si, el soluto se disuelve en ambos solventes distribuyéndose proporcionalmente de acuerdo a sus solubilidades en ambos solventes.
Unidades de concentración
La concentración de una solución constituye una de sus principales características, muchas propiedades de las soluciones dependen exclusivamente de ella.
Las unidades de concentración se pueden clasificar en:
3 1. Unidades físicas:
a) Porcentaje en peso (% p/p): gramos de soluto disueltos en 100 g de solución. (más apropiadamente debería llamarse “porcentaje en masa”).
Matemáticamente: masa soluto / (masa de soluto + masa de solvente) x 100.
b) Porcentaje peso en volumen (% p/v): gramos de soluto disueltos en 100 ml de solución.
Matemáticamente: masa soluto / volumen de la solución x 100.
c) Porcentaje en volumen (% v/v): mililitros de soluto disueltos en 100 ml de solución.
d) Gramos por litro (g/l): gramos de soluto disueltos en 1 litro de solución.
e) Partes por millón (ppm): mg de soluto en 1 kg de solución o mg de soluto en 1 litro de solución.
2. Unidades químicas:
a) Fracción molar (xi): número de moles de soluto (i) en relación al número de moles totales en la solución.
Matemáticamente: número de moles de soluto / (número de moles de soluto + número de moles de solvente). Es una fracción que varía entre 0 y 1.
b) Molaridad (M): número de moles de soluto disueltos en 1 litro de solución.
c) Molalidad (m): número de moles de soluto disueltos en 1 kg de solvente.
d) Normalidad (N): número de equivalentes gramo de soluto disueltos en 1 litro de solución.
Dilución de una solución
Diluir una solución significa disminuir su concentración, es decir, disminuir la relación entre la cantidad de soluto y el volumen de solución. Esto se logra agregando solvente a un volumen determinado de solución, ya que de esta manera se aumenta el volumen de solución manteniendo invariable la cantidad de soluto.
Densidad de una solución
La densidad de una solución es la relación entre la masa y el volumen de la misma. Se expresa de la siguiente manera:
V
m
donde m es la masa de la solución (masa de soluto + masa del solvente), V es el volumen de la solución y es la densidad de la solución. Obsérvese que la densidad de una solución no es una expresión adecuada de la concentración de la solución ya que no indica las cantidades relativas de cada componente de la misma.
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Granataria
Analítica
ANEXO I.
MATERIALES DE USO CORRIENTE EN EL LABORATORIO
Balanzas
El instrumento que se utiliza en el laboratorio para pesar es la balanza (en realidad, las balanzas no miden pesos, sino masas). La unidad que se mide en las balanzas, (cualquiera que ellas sean) es el gramo (o un múltiplo o submúltiplo del mismo). En el laboratorio se utilizan dos tipos de balanzas:
- granataria: para pesadas al 0.01g (capacidad máxima 3-6 kilos) - analítica: para pesadas al 0.0001g (capacidad máxima 200-300g)
Material volumétrico
Clasificación del material volumétrico:
A- Por llenado o de volumen contenido:
1: Volumen fijo. Ej.: matraz aforado.
2: Volumen variable: Ej.: probeta graduada.
B- Por escurrimiento o de volumen liberado:
1: Volumen fijo: Ej.: pipeta aforada.
2: Volumen variable: Ej.: bureta graduada.
Características que identifican al material volumétrico:
-Volumen marcado (en ml).
-Temperatura de referencia (a la cual fue calibrado, y que generalmente es 20°C).
Precauciones en el uso del material volumétrico:
-Deben respetarse las condiciones que rigieron su calibración, tipo de aforo, temperatura de referencia, etc.
-Deben evitarse errores de paralaje en la lectura.
-Nunca debe colocarse el material volumétrico a temperaturas mayores de 50°C.
-Las vasijas deben estar perfectamente limpias.
-Debe evitarse el contacto del material volumétrico con sustancias que lo ataquen.
Matraz
Un matraz aforado es un recipiente de fondo plano y con forma de pera, que tiene un cuello largo y angosto. Una línea fina grabada alrededor del cuello indica un cierto volumen de líquido contenido a una temperatura definida, entonces se dice que está graduado para contener. El cuello de un matraz aforado se hace relativamente angosto de modo que un pequeño cambio de volumen de un líquido provocará una considerable diferencia en la altura del menisco. El error que se cometa al llevar el menisco hasta el enrase, será en consecuencia muy pequeño. La distancia desde la marca hasta el tapón debe ser relativamente grande para que haya suficiente lugar para mezclar en cuanto se ha llevado a volumen. Cuando se lleva a volumen, el borde inferior del menisco, debe ser tangente a la línea de enrase. El matraz aforado se usa para preparar soluciones de concentración definida, pesando un sólido puro y llevándolo a volumen. Los tamaños de matraces aforados que se usan más comúnmente son de 50, 100, 250, 500, l000 y 2000 ml. No obstante lo dicho existen otros volúmenes como por ej. de l0 ml, 25 ml, etc.
9 Pipetas
Pipeta graduada: Son tubos estrechos subdivididos en muchas divisiones que se emplean para medir cantidades variables de líquido. El orificio de una pipeta debe ser de un tamaño tal que la salida del líquido no se produzca demasiado rápida, porque de otro modo llegarían a ser demasiados los errores debidos a pequeñas diferencias en el tiempo de escurrido. Se usan habitualmente pipetas de: 2, 5, l0, 25 ml y muchas otras.
Pipeta aforada: la parte superior de una pipeta tiene grabado un anillo que fija un volumen del líquido que debe descargarse. Una pipeta que se usa de este modo para medir un volumen definido de líquido, se conoce como pipeta para transferencia.
Las más usadas son: 5, l0, 20, 50 y l00 ml Cabe mencionar que existen también pipetas de doble aforo (uno superior y otro inferior), siendo éstas más exactas que las anteriores.
Probetas graduadas
Son recipientes cilíndricos, graduados, de vidrio grueso, de boca ancha, abierta y con pico, y las hay de distintos volúmenes. Como la superficie libre del líquido es mucho mayor que la de los matraces aforados, de igual volumen la exactitud es mucho menor. Por eso solo son útiles para medidas aproximadas.
Buretas
Son tubos largos, graduados, de calibre uniforme, provistos de un extremo inferior con un dispositivo que permite un control fácil del líquido obtenido.
Se usan para descargar cantidades variables de líquido y por esta razón se subdividen en muchas divisiones pequeñas. Las buretas se usan frecuentemente en las titulaciones.
Materiales de laboratorio no volumétricos
Vasos de precipitado
Para el uso corriente los más convenientes tienen pico. El pico tiene las siguientes cualidades:
- Facilita verter el líquido.
-Permite mantener una varilla de vidrio en el caso de precipitados, cubierto con un vidrio de reloj.
- Forma una salida para el desprendimiento de gases y vapores cuando el vaso está tapado por el vidrio de reloj.
Se elegirá el tamaño del vaso según el volumen de líquido que deba contener. Se usan para evaporar y preparar soluciones, pero no de título exacto, etc. Hay de diferentes tamaños: 25, 50, l00, 200, 400, 500, l000 y 2000 ml (son siempre cantidades aproximadas ya que el vaso de precipitado no es un material volumétrico).
Erlenmeyer
Son recipientes cónicos de base ancha y cuello angosto. Tienen muchas aplicaciones, por ejemplo, en volumetría para hacer titulaciones, facilitando una mejor agitación del líquido y evitando pérdidas por
10 salpicaduras. Para preparar soluciones y tener la posibilidad de agitar la mezcla a fin de acelerar el proceso de disolución, son convenientes cuando se quieren evitar pérdidas por evaporación. Cabe también apuntar que al igual que los vasos de precipitación no son materiales volumétricos. Existen erlenmeyer con tapa (de vidrio o plásticas) y sin tapa.
Cristalizadores
Son recipientes de forma cilíndrica con base plana, que tienen poca altura y un gran diámetro, por lo que su superficie abierta es grande. Se usan cuando se desea evaporar rápidamente el líquido de una solución facilitando la cristalización del soluto que se encontraba formando dicha solución.
Otros materiales de laboratorio
Embudos
Tienen forma cónica con un ángulo casi siempre de 60°, con paredes lisas o estriadas. El vástago puede ser largo o corto. En general se utilizan embudos de vidrio o de materiales sintéticos que tienen la ventaja de no romperse con tanta facilidad.
Pisetas
Es un frasco plástico, con un dispositivo que permite emitir un chorro fino de agua destilada, solución u otro líquido y se lo utiliza para el lavado de precipitados. El tapón debe ser de goma con una perforación por donde pasa el tubo de salida del líquido.
Propipetas
Son peras de goma que permiten llenar o vaciar pipetas sin succionar directamente con la boca.
Limpieza del material de vidrio
El material volumétrico debe usarse rigurosamente limpio, con las paredes absolutamente libres de grasas y sustancias extrañas. Ello se verifica cuando el líquido moja uniformemente toda la superficie (cuando está engrasado no escurre bien, adhiriéndose pequeñas gotitas). Se limpia el material con agua y jabón o detergente. En algunos casos es imprescindible el uso de mezcla sulfocrómica (mezcla de dicromato de potasio en ácido sulfúrico concentrado) y se puede usar fría o caliente. Una vez limpio el material con la solución adecuada, se debe enjuagar con agua corriente y luego con agua destilada. No es conveniente secar el material volumétrico por calentamiento de ningún tipo dado el vidrio sufre dilataciones irreversible modificando, en consecuencia su volumen. El secado del material debe efectuarse enjuagándolo con líquidos volátiles o mediante corriente de aire frío. El material graduado deberá ser preservado de los reactivos fuertes que destruirán la pasta coloreada que señala las graduaciones.
11 HOJA DE SEGURIDAD DE SUSTANCIAS QUÍMICAS
Una Hoja de Seguridad (HDS) o también llamada Ficha de Seguridad es un documento que proporciona información básica sobre un material o sustancia química determinada.
El objetivo de este documento es el de proporcionar orientación para la comprensión e interpretación de la información presentada con el fin de proteger la integridad física del operador durante la manipulación de la sustancia.
Esta hoja o ficha contiene las instrucciones detalladas para su manejo y persigue reducir los riesgos laborales y medioambientales. Está pensada para indicar los procedimientos ordenadamente para trabajar con las sustancias de una manera segura. Las fichas contienen información física del producto como, por ejemplo, su punto de fusión, punto de ebullición, etc.; también incluyen su toxicidad, efectos en la salud, primeros auxilios, reactividad, almacenaje, disposición, protección necesaria y, en definitiva, todos aquellos cuidados necesarios para manejar los productos peligrosos con seguridad.
Las HDSs son preparadas por los fabricantes o proveedores de los materiales y, dado que su elaboración está orientada a diferentes usuarios, la información que se presenta es general y resumida. El formato de estas fichas puede variar dependiendo de su fabricante o según las legislaciones de los diferentes países.
Muchos productos incluyen obligatoriamente su ficha de seguridad en la propia etiqueta. Éstas también incluyen, además de los riesgos a la salud, los riesgos medioambientales. Las etiquetas contienen diversos símbolos de peligro estandarizados para su rápida identificación y frases de riesgo y seguridad según las convenciones locales.
Ejemplo de Hoja de Seguridad del Ácido Clorhídrico (muriático)
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EXPERIENCIAS DE LABORATORIO
1. Preparación de soluciones de concentración definida.
Se prepararán soluciones de cloruro de sodio (NaCl) y etanol (CH3CH2OH) de diferentes concentraciones y expresadas en distintas unidades de concentración. Para ello, empleando los cálculos correspondientes, se medirán la cantidad de soluto y solvente a utilizar, así como también se definirán los materiales de laboratorios necesarios para la preparación de las distintas soluciones.
2. Dilución de solución de concentración conocida.
A partir de una de las soluciones preparadas en el punto 1, se procederá a realizar una dilución según indicaciones del docente. Se realizarán los cálculos correspondientes, así como también se definirán los materiales de laboratorio a emplear para la preparación de la misma.
