Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas CAPITULO II PREPARACION DE SOLUCIONES 2.1 UNIDADES DE CONCENTRACION. CONCEPTOS Y TERMINOS Los siguientes términos son utilizados para expresar las unidades de concentración: MOLARIDAD (M) se define como el número de moles de soluto en un litro de solución o como el número de moles de soluto en un determinado volumen de solución expresado en litros: M nsoluto Vsolucionlitros wsoluto g PM soluto g / mol x 1000.ml / lit Vsolucion.(ml ) MOLALIDAD (m) se define como el número de moles de soluto en 1 kg de solvente. Esto es, el número de moles de soluto disueltos en un cierto peso de solvente, expresado en kilogramos: m n soluto wsolventekg wsoluto( g ) x 1000g / kg PMsoluto( g / m ol) wsolvente( g ) LA NORMALIDAD (N) de una solución se define como el número de equivalentes de soluto en un volumen de solución expresado en litros: N núm ero.de.equivalentes.desoluto wsoluto( g ) x1000m l / lit Volum endesoluciónlit PEsoluto( g / equiv) xVsolución(m l) El número de equivalentes de una dada sustancia es la cantidad en gramos de esa sustancia divididos por el peso equivalente (expresado en g/equivalentes). El peso equivalente de una sustancia es el peso que, en una reacción química particular, es involucrado en la transferencia de un mol de unidades de carga. Puede observarse que este concepto fue definido una vez establecida la Ley de las Proporciones Equivalentes. ¿ Qué dice el enunciado de esta Ley Bernardo Chataing 34 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas LA FRACCION MOLAR (Xi) de un componente i en una mezcla o solución puede definirse como la relación de moles de dicho componente i dividida entre el número total de moles de los componentes de la mezcla o solución. Para una solución de i componentes : ntotal= = n1 + n2+ n3 +.......+ ni y n1 Xi = ntotales Puede demostrarse que la suma de las fracciones molares de todos los componentes en una mezcla es igual a la unidad: X1 + X2 + ......+ Xi = 1 PORCENTAJES EN PESO Y OTROS TIPOS DE PORCENTAJES El porcentaje en peso de una sustancia o componente A ( por ejemplo,un soluto A en una solución) en una mezcla o solución puede expresarse como : WA g )x100% % A (peso/peso) = Wsolución g El porcentaje también puede expresarse como una relación de peso/volumen o volumen/ volumen o de moles/moles, etc. Así, WA g / m lx100% ; % A (peso/volumen) = Vsolución nA % A (moles/moles) = x100% = XA x 100 % nsolución 2.2. EJERCICIOS. 1.- Determine, para una solución de ácido sulfúrico de densidad 1.84 g/ml y de 98 % de pureza en el ácido: a) la molaridad de la solución. b) el peso equivalente del ácido sulfúrico. c) El número de equivalentes del acido sulfúrico. d) La normalidad de la solución. e) La fracción molar del ácido sulfúrico en la solución. f) El porcentaje en moles del ácido en la solución. 2.-Con respecto al alcohol, el término “proof” o grado es definido como el doble del porcentaje en volumen de etanol puro (C2H5OH) medido a 60º F. Así, una solución que contiene 95 % de etanol en volumen es de 190 grados. Bernardo Chataing 35 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas ¿ Cuál es la molaridad del etanol en una solución acuosa de etanol de 92 grados?. La densidad del etanol a 60º F es 0.80 g/cc y la del agua, a la misma temperatura, es 1 g/cc. 3.- Una cantidad de alcohol etílico de 2.3 g se agrega a 500 g de agua. La solución resultante es _____ molal en etanol. Marque la respuesta correcta: a) 0.46 m; b) 0.80 m; c) 0.92 m; d) 8.0 m; e) 17 m. 4.- La concentración promedio de iones sodio (Na+) en el suero de la sangre humana es cerca de 3.4 g/lit. ¿ Cuál es la molaridad del ión sodio? 5.- Se ha reportado que el consumo de 44 g de etanol puro tomado como 150 cc de whisky o ron resulta en una concentración promedio del alcohol en la sangre de 0.080 g/100 ml de sangre. Si el volumen total de sangre en un adulto es de 7 litros, ¿ qué porcentaje del alcohol ingerido se encuentra en la sangre?. El peso molecular del etanol es 46. 6,- Determine el peso equivalente de las siguientes sustancias: Sustancia Peso molecular Peso equivalente Peso equiv./peso molecular HCl H2SO4 H3PO4 NaOH Al(OH)3 H 2S Mg(OH)2 7.- Complete la siguiente tabla: Soluto PM soluto (g/mol) H2SO4 NaCl NaHCO3 CH3COOH NaOH Ca(OH)2 C6H12O6 W soluto(g) N soluto (mol) 49 11.7 0.25 400 0.125 6.0 Volumen de de Molaridad solución (ml) solución 250 10 2500 500 17 1.0 0.1 12 8.- Calcule la fracción molar de los componentes de una solución preparada con 92 g de etanol y 126 g de agua. Bernardo Chataing 36 de Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas 9.- Suponga que tiene frascos volumétricos de los siguientes tamaños: 1 litro; 500 cc; 250 cc; 100 cc y 10 cc. Describa como puede preparar soluciones de las siguientes concentraciones y en las cantidades indicadas. Indique los gramos de soluto que puede pesar y el frasco volumétrico más recomendable de utilizar: a) 1 litro de 1 M NaCl b) 0.5 litros de 0.2 M de sacarosa (C12H22O11) c) 10 cc de 0.5 M de sacarosa d) 0.25 litros de HCl 0.2 M e) 250 cc de NaCl 0.9 % f) 0.1 litro de NaOH 9% (w/v) g) 250 cc de KOH 0.5 N h) 0.5 litros de H2SO4 3 N. 10.- Calcule como prepararía 500 g de una solución de carbonato de sodio al 10% (w/w) a partir de carbonato de sodio decahidratado ( Na2CO3.10H2O). 11.- Un acido nítrico concentrado de densidad de solución 1.405 g/ml contiene 68.1 % en peso de HNO3. Calcule la molaridad, la normalidad, la molalidad y los gramos de HNO3 puros que están contenidos en 100 ml de dicha solución. 12.- Se tiene una solución concentrada de acido nítrico de una densidad de solución de 1.41 g/ml y un porcentaje en peso de acido de 69 %. Determine el volumen y peso del ácido nítrico concentrado necesario para preparar 100 ml de una solución 6M del ácido. 13.- Cuál es la molaridad, la normalidad y la molalidad de una solución de etanol en agua, si la fracción molar del etanol es 0.05?. Asuma que la densidad de la solución es 0.997 g/ml. 14.- Una solución contiene 0.30 g de carbonato de sodio decahidratado en cada 15 ml de solución. ¿Cuál es su normalidad y su molaridad? ¿Con cuántos ml de acido sulfúrico 3.10 N reaccionarán 25 ml de carbonato en solución? 15.- Una solución contiene 1 g de NaCl por 10 g de solución y presenta una densidad de 1.071 g/ml. Determine la molaridad y la molalidad de la solución. Bernardo Chataing 37 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas 16.- Se mezclan 10 ml de HCl 0.10 M con 23.5 ml de HCl 0.25 M y 8.6 ml de HCl 0.32 M. Suponiendo que los volumenes son aditivos ¿ Cuál será la molaridad de la solución resultante? 17.- Se prepara una solución con 45 g de benceno (C6H6) y 80 g de tolueno (C7H8). Calcule: a) el porcentaje en peso de cada componente b) la fracción molar de los componentes c) La molalidad de la solución, si se toma al tolueno como el solvente. 18.- Suponiendo que se produce una disociación completa de los iones, calcule el número de moles de cationes y aniones* de cada una de las siguientes soluciones acuosas: a) 20 ml de NaCl 0.1 M b) 30 ml de CaCl2 0.3 M c) 50 ml de Ca(NO3)2 0.2 N *Nota: Los iones con carga positiva reciben el nombre de cationes y los de carga negativa el nombre de aniones. 19.- Se mezclan 200 ml de una solución 0.3 M de HCl con 300 ml de una solución 0.1 M de HNO3. Suponiendo que los volumenes son aditivos, calcule la molaridad de la solución resultante con respecto a los iones cloruro y nitrato. 20.- Alrededor del 90% de las personas a las cuales se les analiza la sangre y muestran una concentración de alcohol en ésta de 0.0030 g/ml evidencian signos de una intoxicación etílica. La concentración fatal estimada es de 0.0070 g/ml. ¿Cuál es el volumen de un ron de 80 grados (40% en volumen de etanol) que corresponde a la diferencia entre una dosis intoxicante y una dosis fatal, para una persona cuyo volumen de sangre es de 7 litros?. Asuma que todo el alcohol va directamente a la sangre. La densidad del etanol es 0.80 g/ml. 2.3. EJERCICIOS DE NEUTRALIZACION ACIDO- BASE 21.- Para reducir la contaminación del agua, se puede elegir una base que neutralize los residuos de ácido sulfúrico que van a ser desechados en un rio. ¿Cuál de las siguientes bases pudieran elegirse solamente en términos del costo total de la base? Bernardo Chataing 38 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas Base Costo ( Céntimos/bolívar) CaCO3 25 Ca(OH)2 50 NH3 150 NaOH 250 22.- Un método para pelar papas, comercialmente, es lavarlas en una solución de NaOH al 10-20 % a 60-88ºC, durante 5 minutos, y luego pelar las papas después de remover éstas de la solución básica. Para determinar si el NaOH en solución es capaz de ayudar en el proceso después de un dia de uso, se titula una muestra de 10 ml de solución de NaOH a neutralidad con 64 ml de una solución de acido sulfúrico 0.20 M. ¿Cuál es la concentración de NaOH que se encuentra?. 23.- En el problema anterior, la solución básica tenía una concentración 2.56 M en NaOH. Para operar, la solución pudiera ser al menos de 10% (w/w). ¿Cuál es el porcentaje correspondiente a la molaridad determinada?. La densidad de la solución 2.56 M es de 1.10 g/cc. 24.- Un paciente humano que sufre de úlcera duodenal pudiera tener una concentración de HCl de 80 x 10-3 M en el jugo gástrico. Si su estómago recibe 3 litros de jugo gástrico por día ¿ Cuánta medicina conteniendo 2.6 g de Al(OH)3 por cada 100 ml pudiera consumir el paciente diariamente para neutralizar el ácido? 25.- El agua que no forma espuma fácilmente con el jabón se denomina “dura”, mientras que el agua que fácilmente forma espuma con el jabón se denomina “blanda”. La principal causa de la dureza del agua es la presencia de pequeñas cantidades de sales de calcio disueltas, como bicarbonato de calcio [Ca(HCO3)2] y sulfato de calcio, CaSO4. Esas sales de calcio reaccionan con el jabón antes de que tenga oportunidad de formar espuma con el agua. Para ablandar el agua, los compuestos de calcio pudieran ser precipitados de la solución o convertidos en compuestos solubles de sodio. Por ejemplo, el bicarbonato de calcio puede removerse del agua hirviéndola ya que un carbonato de calcio insoluble se produce en el proceso, pero el sulfato de calcio presenta otro problema. Este compuesto es removido por la adición de soda caústica, Na2CO3, al agua. La reacción que ocurre es : Bernardo Chataing 39 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4 Una concentración típica de sulfato de calcio en el agua de río es de 1.8 x 10-3 g/lit ¿Cuántos gramos de carbonato de sodio se requerirán para ablandar 6.8 x 109 litros de agua? 2.4. CALCULOS ESTEQUIOMETRICOS CON SOLUCIONES Al igual que en los cálculos estequiométricos anteriores, las reglas a seguir son las mismas con las mismas anteriormente utilizadas. 26.- Una pieza de aluminio que pesa 2.70 g se trata con 75 ml de ácido sulfúrico de densidad 1.18 g/ml y 24.7 % en peso de ácido puro. Después que todo el metal ha reaccionado, la solución se diluye a 400 ml. Calcule: a) la normalidad de la solución original de acido sulfúrico b) La normalidad de la solución resultante de acido sulfúrico después de reaccionar con el aluminio. c) La normalidad de la solución de la sal de aluminio. d) Los ml de NaOH 6 N necesarios para neutralizar el ácido en exceso y precipitar como Al(OH)3 todo el aluminio proveniente de la sal contenida en 50 ml de solución. 27.- ¿Cuántos ml de de NH4OH 0.2 N serán necesarios para precipitar, en forma de Cr(OH)3, todo el cromo de 20 ml de una solución de Cr2(SO4)3. 18 H2O 0.4 N? 28.- ¿ Cuál es la pureza de una solución de acido sulfúrico de densidad 1.80 g/ml, si 5 ml se neutralizan con 84.6 ml de 2N NaOH? 29.- ¿Cuántos moles de hidrógeno gaseoso se liberarán cuando se agregan 300 ml de una solución 0.5 M de acido sulfúrico a un exceso de magnesio? 30.- Una solución de ácido sulfúrico de densidad 1.343 g/ml y 44 % en peso se trata con un exceso de zinc. Si 25 ml de la solución ácida se tratan con el zinc, ¿ qué volumen ocupará el hidrógeno desprendido de la reacción medido en condiciones normales? Bernardo Chataing 40 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas 31.- ¿Qué volumen de HCl 10 M se necesita para preparar 12.7 litros de CO 2 a 735 mm de Hg y 35ºC, cuando el ácido reacciona con carbonato de calcio de acuerdo a la reacción: CaCO3 + HCl CaCl2 + CO2 + H2O ? 32.- ¿ Cuántos mililitros de una solución 0.1 M de KmnO4 son necesarios para reaccionar completamente con 0.01 moles de ión oxalato (C2O4-2), de acuerdo a la reacción: 2 MnO4- + 5 C2O4-2 + 16 H+ Mn+2 + 10 CO2 + 8 H2O ? 2.5. DILUCIONES Uno de los problemas frecuentes, con los cuales debe tratar una persona que trabaje en el área de las ciencias biomédicas, es el del caso de las diluciones. En general se prepara una solución estandar (de una molaridad conocida) y esta solución se comienza a diluir sucesivamente. En este caso, lo que se hace al diluir es incrementar el volumen de solvente, generalmente agua, una solución salina, un buffer o una solución de un medio de cultivo. Por otra parte, la cantidad de soluto en el recipiente se mantiene constante. Para estos casos, que a veces representan un dolor de cabeza para el operario, podemos determinar la concentración final de la solución deseada, ya sea en molaridad, mg/ml, g/ml, etc, empleando la relación siguiente: nmoles iniciales soluto = nfinales de soluto (recuerde que si el soluto se mantiene constante, su número de moles, gramos, mg o g permanece constante). n , entonces n=M.V , de esta forma V MinicialVinicial= MfinalVfinal o concentración inicial(mg/ml,g/ml)x volumen es igual a concentración final x Volumen final. Pero como M= Por ejemplo: a. Se tiene una solución 0.5M de HCl y se diluye 1/100, 1/1000,1/10000. Esto significa que el volumen final es 100, 1000 0 Bernardo Chataing 41 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas 10000 veces menor que el volumen inicial. Por lo tanto, las concentraciones finales serán: M1V1 = M2V2 y V2= 1/100V1; V2=1/1000V1 y V2=1/10000V1, de tal forma que la cocentración final será: M2= 1/100 M1 ; M2=1/1000M1 y M2=1/10000M1. Este tipo de relación es útil incluso cuando se diluyen cultivos celulares de microorganismos. Ejercicio.Prepare una solución de 2 mg/ml de un compuesto X y diluya con el solvente en las siguientes proporciones: a. 1 ml en 20 ml de solvente b. 200 L en 1.800 L hasta obtener 2 ml totales de solución. c. 400L de la solución obtenida en a en 3600 L de medio d. 800 L de solución obtenida en a con 3.200 L de medio. e. 960 L de la solución en a con 1.800 L de medio. Calcule la concentración final de cada una de las soluciones. Ejercicio 2. Ud. Tiene 100 000 bacterias/ml de medio de cultivo. ¿ en qué volumen de medio hay que diluirlas para obtener 1 000 bacterias/ml? ¿ 100 bacterias/L? ¿ 10 bacterias/L? Ejercicio. A partir de una solución de 1 mg/ml de albumina de suero bovino en agua, diluya la misma para obtener soluciones de 10 g/ml, 15 g/ml, 20 g/ml y 50 g/ml. ¿Qué volumen de agua requiere para obtener tales concentraciones? 2.6. REFERENCIAS 1. Butler, I.,S.; Grosser, A.,E., (1970) RELEVANT PROBLEMS FOR CHEMISTRY Principles. Benjamin inc. New York, USA. Bernardo Chataing 42 Técnicas Bioquímicas Para Estudiantes de Ciencias Biomédicas 2. Holum, J.,R., (1975 ) ELEMENTS OF GENERAL AND BIOLOGICAL CHEMISTRY. John, Wiley & Sons, New York, USA. 3. Kumli ,K.,F., ( 1974 ) INTRODUCTORY CHEMISTRY. Prentice Hall Inc. New York, USA. 4. Laubengayer, A., W., (1957 ) GENERAL CHEMISTRY. Holt, Rinehart & Winston. N.y., USA. 5. Mahan ,B.,H., (1987 ) UNIVERSITY CHEMISTRY. McGraw Hill. New York, USA. 6. Miller ,G.,H., (1969 ) CHEMISTRY. Harper & Row Pub. New York, USA 7. Ouellette, R.,J., (1975 ) INTRODUCTORY CHEMISTRY. Harper & Row Publishers. N.Y., USA 8. Perelman, Y., (1968) FISICA RECREATIVA. Edit. MIR, Moscú 9.Sanderson, R.,T., (1971) FUNDAMENTALS OF MODERN CHEMISTRY. Scott, Foresman & Comp. Illinois, USA. Bernardo Chataing 43