Tema 1 Disoluciones

Tema 1
Disoluciones
1.1 Terminología
1.2 Factores que afectan la solubilidad
1.3 Clasificación
1.4 Preparación de 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
Terminología
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
másporelementos unidos
Preparado
V.Chan/Esc.Química/ITCR
químicamente
en proporciones definidas.
Disoluciones
2
Terminología
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.
Disoluciones
Preparado por
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3
Page
Terminología
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.
Disoluciones
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4
Materia
Separación por
métodos físicos
Mezclas
Mezclas
homogéneas
Mezclas
heterogéneas
Disoluciones
Compuestos
Sustancias
puras
Separación
Elementos
por
métodos
químicos
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5
Terminología
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
respecto de la totalidad de la mezcla.
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6
Page
Terminología
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.
Disoluciones
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7
Terminología
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.
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8
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.
Disoluciones
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9
Page
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
– DISOLVENTE-DISOLVENTE
– SOLUTO-DISOLVENTE
Disoluciones
S-S
D-D
S-D
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10
del Chang,R.Química. 7ma
PROCESO DE DISOLUCION Tomado
edición,Cap.12
Etapa 1
Etapa 2
Disolvente
Soluto
Etapa 3
Etapa 1:Separación de las
partículas de disolvente
∆Hdn = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3
Etapa 2: Separación de las
partículas de soluto
El proceso puede ser endotérmico (∆H +)
o exotérmico (∆H -)
Etapa 3: Solvatación
Las etapas 1 y 2 son endotérmicas (se
requiere energía para separar las fuerzas
de atracción intermoleculares)
Disolución
Disoluciones
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11
PROCESO DE DISOLUCION
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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12
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PROCESO DE DISOLUCION
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).
Disoluciones
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PROCESO DE DISOLUCION
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.
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PROCESO DE DISOLUCION
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 SD (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.
Disoluciones
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15
Page
PROCESO DE DISOLUCION
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.
Disoluciones
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PROCESO DE DISOLUCION
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.
Disoluciones
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VELOCIDAD DE DISOLUCIÓN
Depende de:
1.
2.
3.
4.
La agitación.
El grado de subdivisión.
La temperatura.
La presión en el caso de los gases.
Disoluciones
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Page
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.
Disoluciones
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Velocidad de disolución
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.
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FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD
Naturaleza de las sustancias.
Temperatura.
Presión (sólo para sistemas L-G).
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Factores que afectan la solubilidad
NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
repasar capítulos 9,10 y 11 del Chang,R. Química. 7ma
ed.
i.
Tipo de sustancias
ii.
Polaridad
iii. Constante dieléctrica del disolvente
Disoluciones
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
i.
Tipo de sustancias (cap.9 y 20, Chang. R
Iónicas
Covalentes
Metálicas
se clasifican antes de aplicar concepto de
fuerzas intermoleculares o interpartículas
¨Química¨):
Disoluciones
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
i. Tipo de sustancias
Sustancia
Iónica
Metálica
Covalente
Enlace
Fuerza interpartícula
Iónicas
Metálicas
Dp-Dp
Puente de hidrógeno
Di-Di
Otras fuerzas interpartículas a considerar son:
Di-Dp, Dp-Di,Ión-Dp, Ión-Di
Disoluciones
Iónico
Metálico
Covalente
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
ii. Polaridad
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.
Disoluciones
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V.Chan/Esc.Química/ITCR
Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
ii. Polaridad
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¨
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
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
Disoluciones
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Page
Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
iii. Constante dieléctrica del disolvente (εε) (Longo.F.
Química General Universitaria)
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.
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε)
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
q1 y q2 : cargas de los iones
r: distancia separación entre las cargas
ε:
constante dieléctrica del disolvente
Disoluciones
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Factores que afectan la solubilidad
1 NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
iii. Constante dieléctrica del disolvente (ε)
Correlación entre constante dieléctricapolaridad
Por lo general:
Los líquidos polares tienen ε altas y los
líquidos con ε baja son no polares.
Disoluciones
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Factores que afectan la solubilidad
2 TEMPERATURA (sección 12.4, Química. Chang,R. 2003)
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.
Disoluciones
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Factores que afectan la solubilidad
2 TEMPERATURA
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.
Disoluciones
ver material de apoyo del folleto
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Temperatura y solubilidad
En los sólidos, por lo general (HAY EXCEPCIONES!):
La solubilidad aumenta al aumentar la temperatura (proceso de
disolución endotérmico)
Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12
Disoluciones
Preparado por
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Page
Temperatura y solubilidad
En los líquidos, por lo general (HAY EXCEPCIONES!):
Solubilidad
La solubilidad disminuye al aumentar la temperatura (proceso de
disolución endotérmico)
Temperatura
Disoluciones
Figura tomada del Chang,R.Química. Cap.12
Preparado por
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34
12.4
Factores que afectan la solubilidad
3
PRESION (sección 12.5, Quimica. Chang.R.2003)
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.
Disoluciones
Preparado por
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Factores que afectan la solubilidad
PRESION
3
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=kP
c: concentración molar (mol/l) del gas disuelto o solubilidad
k: constante de proporcionalidad
P: presión (en atm) del gas sobre la disolución
Disoluciones
bajo P
alto P
bajo c
alto c
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Page
CLASIFICACION DE LAS DISOLUCIONES
Se clasifican por:
(ver material de apoyo del Folleto)
ESTADO DE AGREGACION:
disoluciones sólidas, líquidas y gaseosas.
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA:
disoluciones
electrolíticas
débiles).
disoluciones no electrolíticas.
(fuertes
y
CONCENTRACION:
diluidas y concentradas.
Insaturada, saturada
ó sobresaturada.
Disoluciones
Preparado por
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V.Chan/Esc.Química/ITCR
Clasificación de disoluciones
1 ESTADO DE AGREGACION:
Está dado por lo general por el disolvente.
Se pueden encontrar disoluciones sólidas, líquidas y
gaseosas.
Estado de agregación
Disolución
Sólido
Disolvente
Sólido
Sólido
Líquida
Gas
Disoluciones
Gas
Bronce (Cu-Sn), acero (Fe, C, Mn)
Líquido
amalgama (Hg-Ag)
Gas
H2 gaseoso en Pd, Pt-O2
Sólido
Líquido
Na-K fundido
NaCl en agua, sirope, agua potable, éteriodo
Etanol en agua, gasolina
Gas
Refrescos gaseosos
Líquido
Aire húmedo
Gas
Aire puro
Sólido
Líquido
Ejemplos
Soluto
Sólido
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Clasificación de disoluciones
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.
Disoluciones
Preparado por
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Page
Clasificación de disoluciones
2 Conductividad eléctrica
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).
Disoluciones
Preparado por
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Clasificación de disoluciones
2 Conductividad eléctrica
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)
Disoluciones
Preparado por
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41
Clasificación de disoluciones
2 Conductividad 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.
Disoluciones
Preparado por
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42
Page
Clasificación de disoluciones
2 Conductividad eléctrica
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.
Disoluciones
Preparado por
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43
Clasificación de disoluciones
2 Conductividad eléctrica
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
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44
Clasificación de disoluciones
2 Conductividad eléctrica
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.
Disoluciones
Preparado por
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45
Page
Clasificación de disoluciones por conductividad eléctrica
DISOLUCION
CONDUCTIVIDAD
ELÉCTRICA
TIPOS DE
SOLUTO
Iónico, algunos
covalentes que
ionizan casi 100%
EJEMPLOS
KCl,CuSO4,HCl,
H2SO4, HNO3
Electrolítica fuerte
Mucha
Electrolítica débil
Poca
Algunos covalentes
que ionizan
parcialmente
RCOOH, NH3, R3N,
HCN
No electrolítica
Ninguna
Covalentes que no
ionizan
O2, C12H22O11, N2,
C6H6
Disoluciones
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46
Cómo determinar si un soluto formará una disolución
electrolítica fuerte o débil ó una disolución no
electrolítica?
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)
Disoluciones
Preparado por
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47
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.
Disoluciones
Ver figuras de conductividad eléctricas en el folleto
Preparado por
V.Chan/Esc.Química/ITCR
48
Page
Clasificación de disoluciones
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.
Disoluciones
Preparado por
V.Chan/Esc.Química/ITCR
49
Clasificación de disoluciones
3 Por concentración
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).
Disoluciones
Preparado por
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50
Clasificación de disoluciones
3 Por 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.
Preparado por
CURVAS DE SOLUBILIDAD
V.Chan/Esc.Química/ITCR
Disoluciones
51
Ver material del folleto
Page
PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES
Terminología
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.
Disoluciones
Preparado por
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52
FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN
•
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
Disoluciones
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53
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
Disoluciones
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54
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FORMAS DE EXPRESAR LA
CONCENTRACIÓN
Masa disolución
disolvente
=
masa
soluto
+
masa
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
Disoluciones
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55
FORMAS DE EXPRESAR LA
CONCENTRACIÓN
*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
Disoluciones
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56
FORMAS DE EXPRESAR LA
CONCENTRACIÓN
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
Disoluciones
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