PRÁCTICA N° 3

PRÁCTICA N° 3
SOLUBILIDAD
(CURVA DE SOLUBILIDAD Y CRISTALIZACIÓN FRACCIONADA)
I. OBJETIVO GENERAL
Establecer de forma experimental, la dependencia de la solubilidad con la temperatura. Utilizar la
variación de esta dependencia, para obtener sustancias puras por cristalización fraccionada.
II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:
1. Definir solución y solubilidad.
2. Distinguir los tipos de soluciones según el estado físico y de acuerdo a la cantidad relativa
de sus componentes.
3. Determinar el efecto de la temperatura en la solubilidad del nitrato de potasio (KNO3) y
cloruro de sodio (NaCl).
4. Construir una curva de solubilidad para cada compuesto (KNO3 y NaCl).
5. Utilizar la técnica de cristalización fraccionada, para purificar una muestra de KNO3
contaminada con NaCl.
6. Calcular el porcentaje de sustancia pura que se obtiene por cristalización fraccionada.
MARCO TEÓRICO
Una solución es una mezcla homogénea de composición variable pero limitada por la
solubilidad. Se dice que es una mezcla porque tiene más de un componente (soluto y solvente)
que no reaccionan entre sí. La homogeneidad se debe a la uniformidad en el sistema, es decir
que presenta una sola fase, por ejemplo: un volumen de aire representa un sistema de una sola
fase que contiene más de un componente (H2, N2,O2, Ar, Xe, etc).
41
Tipos de soluciones.
Según el estado físico:
Soluciones Sólidas
Gas en sólido
Líquido en sólido
Sólido en sólido
Soluciones Gaseosas
Gas en gas
Sólido en gas
Líquido en gas
Soluciones Líquidas
Gas en líquido
Sólido en líquido
Líquido en líquido
Ejemplo
H2 gaseoso en paladio
Empastes dentales (mercurio en plata)
Bronce (zin/cobre)
Ejemplo
Aire
Polvo en aire
Vapor de agua en aire
Ejemplo
CO2 en soluciones (Coca-Cola)
Azúcar en agua
Alcohol en agua
Según la cantidad relativa de sus componentes:
a) Diluída
b) Concentrada
No Saturada
c) Saturada
d) Sobresaturada
a) Solución diluída es la que contiene una cantidad relativamente pequeña de soluto.
b) Solución concentrada es la que contiene una cantidad relativamente grande de soluto, pero
sin llegar a la saturación.
De acuerdo a lo anteriormente expuesto puede deducirse que una solución no saturada
contiene menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolverse.
c) Solución saturada contiene la máxima cantidad de soluto que se disuelve en un disolvente
en particular, a una temperatura específica.
d) Solución sobresaturada, es la que contiene más soluto que la contenida en una solución
saturada del mismo soluto a la misma temperatura. Estas soluciones no son muy estables,
una parte del soluto se separa de la disolución sobresaturada en forma de cristales, dando
lugar, el proceso inverso de disolución (la cristalización).
42
Como diferencias estas soluciones:
•
•
•
Si el soluto se disuelve todo o parte de él, la solución es no saturada.
Si el soluto no se disuelve ni produce precipitación de lo que estaba disuelto, es una
solución saturada.
Si el soluto añadido produce la cristalización de una parte del soluto que estaba disuelto, es
una solución sobresaturada.
Solubilidad y factores que afectan la solubilidad.
El término solubilidad, se define como la máxima cantidad de un soluto que se puede disolver en una
cantidad determinada de disolvente, a una temperatura especifica, se expresa ordinariamente como
los gramos de soluto contenidos en 100 gramos de disolvente.
No todas las sustancias son solubles en las demás sustancias. Algunos solutos son más difíciles de
disolver que otros, esto dependerá de algunos factores como:
1. Las propiedades del soluto y del disolvente. Cuando una sustancia se disuelve en otra, las
partículas del soluto se dispersan en el disolvente. Con frecuencia hemos escuchado la frase “lo
semejante disuelve a lo semejante”, lo que es de gran ayuda para predecir la solubilidad de una
sustancia en un determinado disolvente. Esta expresión significa que es probable que dos
sustancias cuyas fuerzas intermoleculares son del mismo tipo y magnitud sean solubles entre sí. Por
lo tanto, los compuestos iónicos (polares) casi siempre son solubles en disolventes polares (sal en
agua), y los compuestos covalentes (no polares o débilmente polares) se disuelven en disolventes
no polares (tetracloruro de carbono en benceno).
2. La temperatura. Según la definición de solubilidad se puede inferir que la temperatura afecta la
solubilidad de la mayoría de las sustancias, este efecto debe determinarse en forma experimental.
Por lo general, la solubilidad de los sólidos aumenta con el incremento de la temperatura. Sin
embargo, hay algunas excepciones, como lo indica el siguiente cuadro:
TABLA 14. Dependencia de la solubilidad con la temperatura.
Compuesto
Gramos de soluto en 100 gr de agua
Nombre
Fórmula
a 0°C
a 50°C
a 100°C
Hidróxido de potasio
Nitrato de potasio
Clorato de potasio
Cloruro de sodio
Cromato de calcio
Hidróxido de calcio
Sulfato de zinc
KOH
KNO3
KClO3
NaCl
CaCrO4
Ca(OH)2
ZnSO4
97,00
13,30
3,30
35,63
4,50
0,14
41,9
144,00
85,50
19,30
36,67
1,12
0,10
76,80
178,00
246,00
57,00
39,12
0,42
0.06
80,80
43
3. La presión. Las soluciones formadas sólo por líquidos y sólidos no se ven afectadas en forma
apreciable por la presión. Sin embargo, las soluciones de gases en líquidos o gas en gas tienen una
influencia directa de la presión.
Curvas de solubilidad.
La dependencia de la solubilidad con la temperatura puede expresarse gráficamente mediante
curvas de solubilidad (Figura 15), donde en el eje de las ábsidas se marca la temperatura y en el eje
de las ordenadas, la solubilidad. Es el mejor procedimiento para observar inmediatamente no sólo el
valor de solubilidad sino su variación con la temperatura.
Solubilidad g/100 g de
agua
Variación de la solubilidad del Nitrato de Plomo
con la Temperatura
120
100
A
B
40
60
N
80
60
40
20
0
0
20
80
100
Temperatura °C
Fig. 15 Curva de solubilidad del nitrato de plomo en agua.
En el gráfico superior el punto B indica que a 60°C una solución saturada de nitrato de plomo
contiene 95 gramos de soluto en 100 gramos de agua. La línea ABN indica que al aumentar la
temperatura se produce una solución no saturada (punto N) y que, en cambio, por cuidadoso
enfriamiento, para evitar que se deposite parte del soluto, la solución originalmente saturada se
convertirá en sobresaturada (punto A). El punto N indica que la solución está a 80°C, a esa
temperatura podría contener 114 gramos de soluto en cada 100 gramos de agua, y sólo contiene 95
gramos , por lo tanto se trata de una solución no saturada. El punto A muestra que la solución, a
40 °C, contiene 95 gramos, según el gráfico, a esa temperatura sólo debería tener 75 gramos, de lo
que se deduce que se trata de una solución sobresaturada.
Por medio de la curva de solubilidad se puede determinar gráficamente la solubilidad de las
sustancias a diferentes temperaturas, realizar cálculos necesarios para llevar a cabo una
cristalización fraccionada, empleada para la purificación de las sustancias sólidas.
44
Ejemplo: Se necesita recristalizar 1 Kg de CuSO4. Calcular en qué cantidad de agua debe ser
disuelto y cuál será el rendimiento de la sal recristalizada, si la disolución se verifica a 100°C
enfriándola después hasta 15°C.
La solubilidad a 100°C, en 100 g de agua es de 73,6 g; y a 15°C, es de 20,5 g.
Si 73, 6 gramos de sal se disuelven en 100 gramos de agua, ¿cuánto se necesita de agua para
disolver 1 Kg de sal?
1000 g sal * 100 g de agua = 1359 g de agua
73,6 g sal
Al enfriar la solución saturada desde 100°C a 15°C, la cantidad de sal que se cristaliza es igual a la
diferencia de solubilidades a estas temperaturas, ya que a 15°C sólo quedará disuelto 20, 5 g de sal.
73,6 g – 20, 5 g = 53,1 g
Si al enfriar una solución preparada a partir de 73,6 g de sal se cristaliza 53,1 g de sal, ¿Cuánto se
cristalizará a partir de 1000 g de sal?
53,1 g de sal * 1000g de sal = 722 g de sal
73,6 g de sal
El rendimiento teórico debe ser:
% Rendimiento =
sal cristalizada * 100% (3)
cantidad inicial de la sal
De manera, que el rendimiento de CuSO4 recristalizado constituye 72,2%.
Cristalización fraccionada.
La cristalización fraccionada es la separación de una mezcla de sustancias en sus componentes
puros con base a sus diferentes solubilidades.
Como ya se había mencionado la mayor parte de las sustancias sólidas, especialmente las sales,
aumentan su solubilidad con la temperatura. Este aumento puede ser:
a) Rápido; Pb(NO3)2, KNO3, K2Cr2O7.
b) Lento, KCl.
c) Muy pequeño, NaCl.
Sin embargo, existen compuestos, para los cuales su solubilidad disminuye con la temperatura. Esto
ocurre con algunos compuestos como el hidróxido de calcio, el cromato de calcio, el acetato de
calcio, el carbonato de litio , el acetato de estroncio y el sulfato de cerio. Estas marcadas diferencias
de la solubilidad con respecto a la temperatura pueden utilizarse para llevar a cabo la cristalización
fraccionada.
La cristalización de las sustancias cuya solubilidad disminuye en función de la temperatura puede
lograrse bajando la temperatura de la solución saturada (recristalización). Si la temperatura
45
disminuye lentamente, las sustancia cristaliza en forma de cristales grandes, si el enfriamiento es
rápido, se forman cristales pequeños. Los cristales pequeños son más puros, mientras que el
crecimiento de cristales grandes va acompañado de captura de cantidades pequeñas de la solución
madre que contiene impurezas provenientes de otras sustancias. Para las sustancias cuya
solubilidad aumenta con el descenso de la temperatura, la recristalización se lleva a cabo en orden
inverso: la solución se satura con la sustancia dada a una temperatura lo más baja posible y
después se calienta hasta ebullición.
A veces hay que filtrar la solución saturada a 100°C para eliminar diferentes impurezas (polvo, lodo,
etc). La sustancia recristalizada se separa de la solución madre por filtración al vacío (succión). Esto
es necesario porque en la filtración ordinaria queda una gran parte de la solución madre sobre la
superficie de los cristales (lo que contamina el producto) y hace falta secar por mucho tiempo los
cristales.
PARTE EXPERIMENTAL
Solubilidad del KNO3.
•
•
•
•
Pesar en un vaso de 10 mL 1,0000 g de KNO3 y por separado en papel, 4 porciones de 1g
exactamente pesados.
Agregar al vaso con KNO3 4 mL de agua, agitar hasta disolver y tomar la temperatura a la
que se disuelve.
Cuando toda la sustancia este disuelta, añadir una nueva porción (1g) y colocar en la
plancha de calentamiento, agitar hasta que se disuelva y tomar la temperatura.
Repetir el procedimiento hasta agregar las cuatro porciones de KNO3.
Solubilidad del NaCl.
•
•
•
•
•
Pesar en un vaso de 50 mL 6,0000 g de NaCl y por separado pesar en papel, 2 porciones
de 0,5000 g y 2 porciones de 0,1000 g (exactamente pesados).
Agregar al vaso con NaCl 20 mL de agua, agitar hasta disolver y tomar la temperatura a la
que se disuelve.
Cuando toda la sustancia este disuelta, añadir una nueva porción (0,500 g) y colocar en la
plancha de calentamiento, agitar hasta que se disuelva y tomar la temperatura.
Repetir el procedimiento hasta agregar las cuatro porciones de NaCl (0,5000; 0,5000;
0,1000 y 0,1000).
Construya en una misma gráfica, las curvas para las dos sales.
Purificación de KNO3 contaminado con NaCl.(Figura 16)
•
•
Pesar en un vaso de 10 mL , 5 g de muestra contaminada.
Agregar 6 mL de agua en el vaso con la muestra.
46
•
•
•
•
•
•
Calentar a 80°C hasta completa dilución.
Enfriar con baño de hielo (0°C).
Pesar un papel de filtro.
Filtrar al vacío para separar la solución de los cristales.
Secar los cristales en estufa a 100°C.
Pesar los cristales y calcular el porcentaje de KNO3 en la muestra.
Fig. 16 Dibujo esquemático para la purificación de KNO3 contaminado con NaCl.
47
DATOS EXPERIMENTALES
TABLA 15 . Solubilidad y Temperatura de disolución del KNO3 y NaCl
Compuesto
Cantidad pesada
Solubilidad
Temperatura de
(g)
g de soluto/100g de solvente
disolución (°C)
1,0000
2,0000
KNO3
3,0000
4,0000
5,0000
6,0000
6,5000
NaCl
7,0000
7,1000
7,2000
Volumen de agua para la solubilidad del KNO3 ________________________
Volumen de agua para la solubilidad del NaCl ________________________
Masa de la muestra contaminada___________________________________
Masa del papel de filtro ___________________________________________
Masa de vidrio de reloj _____________________________
Masa de vidrio de reloj + papel de filtro + cristales secos _____________________________
RESULTADOS
Masa de los cristales ____________________________
Porcentaje de KNO3 en la muestra ______________________________
CUESTIONARIO
1. ¿ Por qué el sulfato de calcio se incluye en el grupo de las sustancias con solubilidad anómala?
2. Tres frascos contienen soluciones saturada, sobresaturada y no saturada de la misma sustancia.
¿Cómo determinar qué solución hay en cada frasco?
3. A partir de los siguientes datos trazar la curva de solubilidad del Pb(NO3)2 y determinar su
solubilidad a 37°C
Temperatura °C
10
Solubilidad, g/100g de agua 44,5
20
52,2
30
60,8
50
78,6
60
88,0
70
97,6
4. La solubilidad de una sal es igual a 64,7 y 13,8 g/ 100g de agua a 80°C y 17°C, respectivamente.
¿Qué cantidad de sal sólida y agua hace falta tomar para obtener 1Kg de la sal recristalizada? La
solución se calienta a 80°C y se enfría hasta 17°C.
48
BIBLIOGRAFIA
1. CHANG, R y COLLEGE, W. Química. Séptima edición. McGraw-Hill, México, 2002.
2. DAUB, W y SEESE, W. Química. Séptima edición. Prentice Hall, México, 1996.
3. BRICEÑO, C y CÁCERES, L. Química. Primera edición. Editorial Educativa, BogotáColombia, 1994.
4. PRETRUCCI, HARWOOD, y HERRING, G. Química General. Octava edición. Prentice Hall,
Madrid, 2003.
5. MOORE, KOTZ, STANITSKI, JOESTEN y WOOD. El Mundo de la Química. Segunda
edición, Addison Wesley Longman, México, 2000.
6. MARTÍN, D. Química, Disoluciones. Segunda edición. Caracas,1981.
49