2019 UNIVERSIDAD CIENTIFICA DEL SUR LABORATORIO DE QUIMICA Preparación de soluciones acuosas 30-4-2019 PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES ACUOSAS 1. OBJETIVOS Preparar y formular soluciones de diferentes concentraciones. Valorar soluciones preparadas en base de patrones de referencia. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO Solubilidad La cantidad de soluto necesaria para formar una solución saturada en una cantidad dada de solvente se conoce como solubilidad de ese soluto. Por ejemplo, la solubilidad del NaCl en agua a 0°C es de 35,7 g por 100 mL de agua. Esta es la cantidad máxima de NaCl que se puede disolver en agua para dar una solución estable, en equilibrio, a esa temperatura. La concentración de una solución es la cantidad de soluto disuelta en una determinada cantidad de solvente o de solución. Una solución diluida sólo contiene baja concentración de soluto. Una solución concentrada contiene una alta concentración de soluto. Una solución que está en equilibrio con un soluto no disuelto a determinada temperatura se describe como saturada. En el caso de algunas sustancias es posible preparar una solución que contenga más soluto que una solución saturada. A esto se llama solución sobresaturada. Las soluciones sobresaturadas no son estables. El soluto precipita de la solución sobresaturada – el sólido que se separa de una solución se llama precipitado. Factores que afectan la solubilidad El grado en que una sustancia se disuelve en otra depende de la naturaleza tanto del soluto como del disolvente, y también de la temperatura y, al menos en el caso de los gases, la presión. 1. Interacciones: Soluto – Disolvente Las sustancias con fuerzas de atracción intermoleculares similares suelen ser mutuamente solubles. Esta generalización suele expresarse simplemente como “lo similar disuelve a lo similar”. Las sustancias no polares son solubles en disolventes no polares; los solutos iónicos y polares son solubles en disolventes polares. Los sólidos de red como el 1 diamante y el cuarzo son insolubles en disolventes tanto polares como no polares a causa de las intensas fuerzas de enlace dentro del sólido. 2. Efectos de temperatura La solubilidad de la mayor parte de los solutos sólidos en agua se incrementa al aumentar la temperatura de la solución. Sin embargo, hay unas cuantas excepciones a esta regla, como es el caso del Ce2(SO4)3, Na2SO4, etc. A diferencia de los solutos sólidos, la solubilidad de los gases en agua disminuye al aumentar la temperatura. Si calentamos un vaso de agua fría, se observarán burbujas de aire en el interior del vaso. De forma similar, las bebidas carbonatadas pierden CO2 si se les permite calentarse; al aumentar la temperatura de la solución, la solubilidad del CO2 disminuye y el CO2(g) escapa de la solución. La menor solubilidad del O2 en agua al aumentar la temperatura es uno de los efectos de la contaminación térmica de lagos y ríos. El efecto es particularmente grave en los lagos profundos porque el agua caliente es menos densa que el agua fría, y por ello tiende a permanecer sobre el agua fría, en la superficie. Esta situación impide la disolución de oxígeno en las capas más profundas y afecta la respiración de todos los organismos acuáticos que necesitan oxígeno. Los peces pueden asfixiarse y morir en estas circunstancias. 3. Efecto de presión La solubilidad de un gas en cualquier disolvente aumenta al incrementarse la presión del gas sobre el disolvente. En cambio, las solubilidades de los sólidos y líquidos no acusan un efecto apreciable de la presión. La ley de Henry se aplica a los gases que no reaccionan con el disolvente en el que se disuelven (o, en algunos casos, gases que reaccionan incompletamente). Se define normalmente de la manera siguiente: a) Ley de Henry A temperatura constante, la solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión del gas sobre la solución. La ecuación es: 𝐶𝑔 = 𝑘 . 𝑃𝑔 Donde Cg es la concentración del gas disuelto (por lo regular expresada como molaridad), Pg es la presión parcial del gas sobre la solución y, k es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Henry, diferente para cada par soluto-disolvente. 2 La constante también varía con la temperatura. Por ejemplo, la solubilidad de N2 gaseoso en agua a 25°C y o,78 atm de presión es de 5,3 x 10−4 M. Entonces, la constante de la ley de Henry para el N2 en agua está dado por (5,3 x 10−4moles/L) (0,78 atm) = 6,8 x 10−4 moles/Latm. Si se duplica la presión parcial del N2, la ley de Henry predice que la solubilidad en agua también se duplicará a 1,06 x 10-3 M. b) Unidades de concentración Porcentaje (%) y partes por millón (ppm) 𝑃 𝑊𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜(𝑔) % 𝑆𝑂𝐿𝑈𝑇𝑂 ( ) = 𝑥 100 𝑃 𝑊𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 (𝑔) 𝑃 𝑊𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜(𝑔) 𝑝𝑝𝑚 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ( ) = 𝑥 106 𝑃 𝑊𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 (𝑔) Molaridad (M) y normalidad (N) 𝑀 = (𝑔) 𝑆𝑂𝐿𝑈𝑇𝑂 = 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛(𝐿) "𝑃𝑀" 𝑉 𝑀 = (𝑔) #𝑒𝑞 − 𝑔 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛(𝐿) "𝑃𝑀" 𝑉 Transformaciones de unidades La concentración de una solución se puede expresar de diversas maneras. Conociendo una unidad de concentración se puede conocer cuál es la concentración en otra unidad. Por ejemplo, si conocemos la molaridad de (M) de una solución podemos conocer la concentración en normalidad (N) usando la siguiente relación: 𝑁 = 𝑀𝑥𝜃 Donde: Ө = Factor de corrección Para un ácido ө = número de H+ 3 Para una base ө= número de OHSi conocemos la pureza o el porcentaje en peso (% W) p/p de una solución, la densidad de la misma y el peso fórmula (PM) del soluto, podemos calcular la concentración molar (M) de la solución usando la siguiente relación: 𝑀 = 𝑃 %𝑊𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (𝑃) × 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 × 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 "𝑃𝐹" 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 Preparación de soluciones acuosas Una solución se puede preparar de diversas maneras: 1. A partir de la disolución del soluto puro. 2. A partir de la disolución de otra solución concentrada del mismo soluto. 3. Por mezcla de dos o más soluciones del mismo soluto. Para el caso (1), usar las fórmulas de Molaridad y Normalidad según el interés. Para el caso (2), usar la siguiente relación, denominada comúnmente como la ecuación de Dilución: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 1 𝑥 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 2 𝑥 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2 Donde: Volumen 2 = Volumen del solvente agregado Para el caso (3), cuando se mezclan 2 soluciones y se obtienen una tercera, se cumple: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 1 𝑥 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 2 𝑥 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 3 𝑥 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3 3. MATERIALES: 4 I. MATERIALES EN LA MESA DE ESTUDIANTES 01 trípode con maya de asbestos 01 gradilla 05 tubos de ensayo 13x100 ml 02 pipetas graduadas 10ml 04 fiola 02 beaker 01 bureta 01 soporte universal 01 piseta con agua destilada 23 + 16 + 1+ 40 II. MATERIALES EN LA MESA CNTRAL DEL PROFESOR 10gm de biftalato de potasio 03 termómetro de mercurio 01 balanza de precisión 03 fenolftaleína gotero 25 ml 100 g de sal común 50 g hidróxido de sodio ~NaOH 01 ácido clorhídrico~ HCL concentrado gotero 50ml. 3.1. METODO DE CALCULO DE RESULTADOS: PARTE EXPERIMENTAL: Experimento 01: Preparar 100ml de solución de NaOH 1M Calcular la cantidad de NaOH(solido) requerido Calcular la cantidad requerida de NaOH(s) en un vaso de precipitados con agua destilada. (Completar el cuadro 4.2) Enrasar en una fiola de 100 ml la solución de NaOH, homogenizar la mezcla Procedimientos: 1. Para poder desarrollar el cálculo debemos recordar quien es el soluto y quien es el solvente, además recordar las fórmulas de molaridad y numero de soluto. Soluto: NaOH(solido) Solvente: H2O (liquido) n soluto M= v solucion(en litros) 𝑛𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 = 𝑚 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜(𝑔) PM soluto 5 2. Tomando los datos aplicamos la fórmula de molaridad.1 = 𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 o,1 3. Debemos identificar el peso molar del NaOH Na23 O16 H1 4. Luego reemplazamos en la fórmula de soluto: 𝑜. 1 = 𝑚 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜(𝑔) 40 4 gramos de soluto 5. Posteriormente de calcular el peso del hidróxido de sodio (NaOH) pesamos la cantidad requerida y mezclamos u homogenizamos con agua destilada en la fiola llenando hasta 100ml, a continuación veremos las imágenes y responderemos el cuadro. 6 NaOH(s) Peso (g) Solución de NaOH 4 gramos Volumen (ml) - 100 ml EXPERIMENTO 02: Preparar 100 ml de solución de NaOH 0,2M A partir de NaOH 2M (solución concentrada), calcular el volumen requerido (aplicando la ecuación de dilución) para preparar la solución diluida de NaOH 0,2 M. Con ayuda de una pipeta graduada agregar el volumen calculado a la fiola de 100 ml y completar con agua destilada hasta el enrase y homogenizar la mezcla. Procedimiento: Para resolver esta solución diluida seguiremos los siguientes pasos. 1. Aplicar la fórmula de disolución. M1xV1=M2xV2 M1=concentración conocida M2=concentración que deseo preparar V1=volumen que se saca de la solución madre V2=volumen que deseo preparar Entonces aplicamos la formula con los datos correspondientes M1xV1=M2xV2 1x v1=0,2 mlx100ml V1=20 ml 2. Sacas los 20 ml de la disolución y agregas con agua hasta llenar el enrase de la fiola y homogenizas 3. A continuación las imágenes y resolveremos el cuadro 4.3. 7 NaOH concentrada NaOH diluida Volumen (ml) 20ml 100ml moralidad 1molar 0,2 molar Experimento 3 Preparación de 100 ml de una solución HCL 0,2 M a partir de HCL concentrado. Los datos del HCL concentrado son: densidad 1,36 g/ml, pureza 36%. Calcular el volumen requerido. Medir un volumen del HCL con ayuda de una pipeta graduada y una bombilla de succión. Agregar sobre agua destilada contenido en una fiola de 100 ml, enrasar la fiola con agua y homogenizar la solución. Procedimientos: Para resolver esta solución seguiremos los siguientes pasos. 1. Aplicar dos formulas 1) M1xV1=MaxV2 formula anterior 2) 𝑚(𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑙𝑜𝑟ℎ𝑖𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜) = pureza xdensidad x10 PMsoluto 8 2. Aplicaremos la segunda formula fórmula, pero antes debemos calcular su PM del soluto H1 CL35, 5 35,5+ 1 36,5 𝑀(𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜) = 36%𝑥1,36𝑥10 36,45 Masa del ácido concentrado es 13,43 3.Remplazaremos en la primera ecuación M1xV1=MaxV2 13,43XV1=0,2mlx100 V1=1,5 ml 4. Luego de haber calculado la medida de la sustancia procedemos a hacer la experimentación, primero llenamos la medida de HCL a la fiola, en seguida agregar agua destilada hasta enrasa la fiola y posteriormente homogenizaremos 5. A continuación observaremos las imágenes y procederemos a resolver el cuadro 4.5. HCL diluida 1.5 ml 0.2 molaridad Volumen(ml) molaridad 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Los resultados del experimento nos llevan a aceptar la teoría de la Guía de Química de laboratorio de la Universidad científica del sur que contiene un concepto amplio de soluciones y una serie de instrucciones para comprobar la parte teórica. Por ejemplo, el documento de la universidad señala que existe 9 varios factores que afectan la solubilidad, esto claramente se pudo apreciar en el experimento n°1, también hubo previa resolución de problemas de unidades de concentración para su posterior preparación. Todos los experimentos se llevaron a cabo con éxito y los cuadros rellenados evidencian la experiencia ganada. 5. CONCLUSIONES: Después de realizar estudios teóricos y experimentales se logró entender conceptos muy importantes como: La solubilidad que es la capacidad de disolverse en un solvente que da como resultado una solución y a la vez esta puede ser saturada cuando permite disolver solutos e insaturada cuando ya no permite disolver más solutos. Hay varios factores que pueden afectar la solubilidad como: el soluto-solvente(lo semejante disuelve lo semejante),superficie de contacto(el aumento de la superficie ayuda a la solubilidad),agitación(aumento de la energía de energía cinética o movimiento),temperatura(adición o sustracción de calor) y presión(favorece de gaseoso a liquido),los anteriores pueden afectar o favorecer directamente la solubilidad. Otro tema que suma es la Ley de Henry (M=k.p) que se puede entender como: el aumento de la presión sobre gas y esta se encuentra sobre líquido, puede disolverse en el líquido dependiendo de la presión que estamos efectuando sobre ella. La molaridad y la normalidad también son temas importantes, la primera también llamado concentración molar es el número de moles de soluto por cada litro de disolución y la normalidad es una unidad de concentración que depende mucho de la reacción en la que participara la solución. Damos por concluido el presente documento señalando que se tocaron muchos temas un poco complejos pero que son de suma importancia para la formación profesional y actualmente son aplicados en las industrias. 6. RECOMENDACIONES Tener todos los materiales requeridos y necesarios por la guía para no tener inconvenientes en la práctica. Tratar de mantener la temperatura constante de las sustancias para tener un mejor dato. Anotar bien los datos obtenidos de acuerdo a la guía. 10 7. FUENTES BIBLIOGRÁFICAS: Oscar Reátegui Arévalo., Elvito Villegas Silva., Guía de Práctica Química General. Perú: De Editorial UCSUR: 2012. Theodore L. Brown, et al. 11a. Química, La Ciencia Central. MEXICO: Editorial Mexicana; 2009. Chang 2010 ANEXO CUESTIONARIO: 1.Definir: Soluto, Solvente, Solubilidad, Solución diluida, Solución concentrada, Solución saturada, Solución sobre saturada, solución coloidal e hidrato. a) Soluto: sustancia minoritaria (aunque existen excepciones) en una disolución, esta sustancia se encuentra disuelta en un determinado disolvente. b) Solvente: sustancia que permite la dispersión de otra sustancia en esta a nivel molecular o iónico. Es el medio dispersante de la disolución. c) Solubilidad: medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una temperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. d) Solución diluida: Tipo de solución donde la cantidad de soluto es muy pequeña. e) Solución concentrada: Tipo de solución donde la cantidad es abundante. f) Solución saturada: Tipo de solución donde existe un equilibrio entre el solvente y el soluto a una temperatura dada. g) Solución sobre saturada: Tipo de solución donde la cantidad del soluto es mayor que la cantidad soportada en condiciones de equilibrio por el disolvente, a una temperatura dada. 11 h) Solución coloidal: Son soluciones en donde reaccionan dos compuestos de dos estados distintos. Pueden observarse casos particulares en la vida cotidiana, como la mayonesa. I) Hidrato: Compuesto que contiene moléculas de agua en su estructura 2. ¿Qué es solvatación? Dar ejemplos. La solvatación es el proceso de asociación de moléculas de un disolvente con moléculas o iones de un soluto. Al disolverse los iones en un soluto, se dispersan y son rodeados por moléculas de solvente. Por ejemplo, cuando la sal se disuelve en agua o cuando endulzamos un refresco. 3. ¿Cuáles son los sistemas buffer o amortiguadores en el organismo humano? Son sustancias que evitan los cambios bruscos de pH, manteniéndolo constante. Sistema amortiguador de la hemoglobina Sistema amortiguador de las proteínas intracelulares. Sistema amortiguador fosfato Sistema amortiguador bicarbonato 4. ¿Qué volumen de HCl 5N y de HCl 2.5N deben mezclarse para obtener 4 Lde una disolución 3.0 N? V1M1 + V2M2 =V3M3 V1(5) + V2(2.5) = 4(3) V1(5) + (4- V1)(2.5) =4(3) 10 + 2.5(V1) = 12 2.5(V1) = 2 V1 = 0.8 V2 = 3.2 12 5. ¿Qué es osmosis inversa y para qué sirve? La filtración bajo presión a través de una membrana cuyos poros son pequeños. Los poros de la membrana están concebidos de manera que la mayoría de las sales, de los inorgánicos y de los iones son eliminadas 90-99%). Las moléculas de agua atraviesan fácilmente la membrana. Las moléculas orgánicas pueden ser eliminadas o pasar según el tipo de membrana utilizado. Finalmente, las partículas en suspensión, bacterias y pirógenos son prácticamente eliminados por completo mediante la ósmosis inversa. 13
