Trabajo practico de laboratorio: soluciones



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Teoría: Soluciones
Introducción:

Soluciones, se definen como un sistema homogéneo formado por dos o más componentes, cuya composición puede variar entre ciertos límites. El límite inferior es la menor cantidad que se puede medir y el límite superior la solubilidad.

Los componentes de una solución, se pueden identificar como:


SOLUTO + DISOLVENTE = SOLUCIÓN

El soluto puede ser un gas, un líquido o un sólido, y el solvente puede ser también un gas, un líquido o un sólido.

Las mezclas de gases, son soluciones. Las soluciones verdaderas se diferencian de las soluciones coloidales y de las suspensiones en que las partículas del soluto son de tamaño molecular, y se encuentran dispersas entre las moléculas del solvente.

Algunos metales son solubles en otros cuando están en el estado líquido y solidifican manteniendo la mezcla de átomos. Si en esa mezcla los dos metales se pueden solidificar, entonces serán una solución sólida llamadas ALEACIONES (ej. Latón: cobre y cinc; oro 18 kilates: oro y plata).


Si se prepara una solución entre un sólido y un líquido, el sólido es el soluto, (ejemplo NaCl en agua). En tanto que la solución de un líquido en agua, el soluto es el que se encuentra en menor proporción, esto último es arbitrario, (ejemplo alcohol en agua; el alcohol es el soluto pero está al 96%).

El disolvente más utilizado es el agua, pero también se utilizan otros disolventes orgánicos: éter, alcohol, etc. En una solución puede estar presente más de un soluto.

En las soluciones que contienen agua, siempre se considera que el agua es el solvente, independientemente de la proporción que la misma represente.
Otro concepto: Densidad:     





La relación entre soluto y disolvente o volumen total de solución se denomina concentración.
Habrás escuchado decir: el azúcar es soluble en agua. La nafta es insoluble en agua. Por otro lado sabemos que existen sustancias que se disuelven mucho y otras que se disuelven poco. Pero lo correcto sería aplicar los conceptos:

Soluble: indica que un soluto determinado puede disolverse (se puede mezclar) en un solvente determinado, no me dice nada sobre cuánto se puede disolver.

Insoluble: indica que un soluto determinado no puede disolverse en un determinado solvente.
Cuando se mezclan dos líquidos puede ocurrir que:

Se disuelvan entre sí (se dice que son miscibles)

No se disuelven entre sí (se dice que son inmiscibles)
Considerando la naturaleza físico-química del soluto, podemos clasificar las soluciones en:
Soluciones moleculares: son aquellas en las que la fase dispersa está constituida por moléculas (azúcar-agua). Las interacciones soluto-agua son dipolo-dipolo.
Soluciones electrolíticas: son aquellas en las que la fase dispersa está constituida por iones (son buenos conductores de la corriente eléctrica, sal-agua). Las interacciones soluto-agua son ion-dipolo.

Clasificación de las soluciones:



POR SU ESTADO

POR SU CONCENTRACIÓN

SÓLIDAS

SOLUCION NO-SATURADA; es aquella en donde la fase dispersa y la dispersante no están en equilibrio a una temperatura dada; es decir, ellas pueden admitir más soluto hasta alcanzar su grado de saturación.

Ej: a 0 ºC 100 g de agua disuelven 37,5 NaCl, es decir, a la temperatura dada, una disolución que contengan 20g NaCl en 100g de agua, es no saturada.



LIQUIDAS

SOLUCION SATURADA: en estas disoluciones hay un equilibrio entre la fase dispersa y el medio dispersante, ya que a la temperatura que se tome en consideración, el solvente no es capaz de disolver más soluto.

Ej una disolución acuosa saturada de NaCl es aquella que contiene 37,5 disueltos en 100 g de agua 0 ºC.



GASEOSAS

SOLUCION SOBRESATURADA: representan un tipo de disolución inestable, ya que presenta disuelto más soluto que el permitido para la temperatura dada.

Para preparar este tipo de disoluciones se agrega soluto en exceso, a elevada temperatura y luego se enfría el sistema lentamente. Estas soluciones son inestables, ya que al añadir un cristal muy pequeño del soluto, el exceso existente precipita; de igual manera sucede con un cambio brusco de temperatura.





Concentración es la relación cuantitativa que expresa la cantidad de soluto presente en una solución.

Teniendo en cuenta que la masa de una sustancia puede expresarse en unidades químicas (moles) o en unidades físicas (gramos) resulta que:


Las concentraciones pueden ser expresadas en:

A) Unidades Físicas de Concentración

A.1- Expresión al tanto por ciento (%)

Las formas de expresar dicha relación pueden ser:

a) % en peso (% P/P): es la cantidad de soluto puro en 100 g de solución.

b) % peso en volumen (% P/V): es la cantidad de soluto puro en 100 mL de solución.

c) %volumen en volumen (%V/V): es es el volumen de soluto puro en 100 mL de solución.

A.2- Expresión en Gramos por Litro (g/L)

Es la cantidad en gramos de soluto puro en un litro de solución.

Los gramos por litro indican la masa de soluto, expresada en gramos, contenida en un determinado volumen de disolución, expresado en litros. Así, una solución de cloruro de sodio con una concentración de 40 g/L contiene 40 g de cloruro de sodio en un litro de solución.
B) Unidades Químicas de Concentración

B.1- Solución Molar: Se expresa como el número de moles de soluto en 1000 mL de solución. Se simboliza con la letra M.-

B.2- Solución Normal: Se expresa como el número de equivalentes gramos de soluto, en 1000 ml de solución. Se simboliza con la letra N.

 Normalidad: se define como el número de equivalentes de soluto que contiene un litro de solución. Se calcula de la siguiente manera:      

        

  n = equivalentes de soluto/litros de solución      

         

        Equivalente químico de una sustancia se define como los gramos de sustancia que reaccionan, equivalen o reemplazan a un mol de iones hidrogeno. El peso equivalente gramo  se refiere al peso en gramos de un equivalente químico de la sustancia en cuestión. 

Peso equivalente gramo de los ácidos= peso molecular / el número de hidrógenos. 

Peso equivalente de las bases= masa molecular/ el número de iones (HO-).

Peso equivalente de sales= masa molecular/ el número de oxidación del catión.

B.3- Solución Molal: Se expresa como el número de moles de soluto en 1000 gr de disolvente. Se simboliza con la letra m.-


Resumiendo:


Solubilidad

Se define solubilidad de una sustancia, como la cantidad en gramos de soluto, necesarios para saturar 100 gr de disolvente a una temperatura determinada.

1.- Factores que afectan la solubilidad.

a) Naturaleza del disolvente.

b) Naturaleza del soluto.

c) Temperatura.

En relación a los dos primeros, es conocido que los sólidos iónicos son más solubles en disolventes polares que en no polares.-

Sustancia polar: Cuando los átomos que forman la molécula de un compuesto covalente, están simétricamente distribuidos en el espacio, los centros de las cargas negativas y positivas no coinciden. Como resultado de esta desigual distribución de la carga eléctrica, las moléculas actúan como un dipolo y al compuesto se lo denomina polar (Ej. agua).

Generalizando, se puede decir que, sustancias polares se disuelve en solventes polares y sustancias no polares se disuelven en disolventes no polares, habiendo excepciones a esta regla general.


2.- Temperatura y solubilidad

Disolver un sólido en un líquido, comprende dos procesos principales.

a) Un cambio en el estado del sólido, ya que las moléculas ó iones del sólido se dispersan en el disolvente que lo rodea.

b) Una probable combinación entre soluto y disolvente.

El primer proceso es siempre endotérmico (necesita una cierta energía para que ocurra), en tanto que el segundo puede ser endotérmico o exotérmico.

La variación de la solubilidad con la temperatura, se expresa en forma de curvas de solubilidad.



Efecto de la temperatura y la presión en la solubilidad de sólidos y gases

¿Por qué un refresco pierde más rápido el gas cuando esta caliente que cuando esta frío, o por que el chocolate en polvo se disuelve más fácilmente en leche caliente?, son varios factores los que influyen a estos fenómenos, entre ellos está la temperatura y la presión.

Por lo general la solubilidad varía con la temperatura. En la mayoría de las sustancias, un incremento de la temperatura causa un aumento de la solubilidad. Por eso el azúcar se disuelve mejor en café caliente.

Los cambios de presión no modifican la solubilidad de un sólido en un líquido. Si un sólido es insoluble agua, no se disolverá aunque se aumente bruscamente la presión ejercida sobre él.

La solubilidad de los gases disueltos en líquidos es diferente de la que poseen los sólidos. La solubilidad de un gas en agua aumenta con la presión del gas sobre el disolvente, si la presión disminuye, la solubilidad disminuye también. Se dice que la solubilidad de los gases es directamente proporcional a la presión.

Cuando se destapa una botella de refresco, la presión sobre la superficie del líquido se reduce y cierta cantidad de burbujas de dióxido de carbono suben a la superficie. La disminución de la presión permite que el CO2 salga de la disolución.

En relación con la temperatura, los gases disueltos en líquidos se comportan de forma inversa a como lo hacen los sólidos. La solubilidad de un gas en agua decrece a medida que aumenta la temperatura; esto significa que la solubilidad y la temperatura son inversamente proporcionales.

Los gases disueltos en agua potable (oxigeno, cloro y nitrógeno) son las pequeñas burbujas que aparecen cuando él liquido se calienta y aún no llega al punto de ebullición. Cuando el agua hierve queda totalmente desgasificada, por lo cual su sabor es distinto del que posee el agua sin hervir, por ello se recomienda airear esta agua antes de beberla.


EJEMPLO DE MOLARIDAD, NORMALIDAD y MOLALIDAD

Se ha preparado una disolución agregando 75 g de ácido carbónico, H2CO3, hasta obtener un volumen total de disolución de 1500 ml. A partir de las correspondientes masas atómicas, calcular la molaridad y normalidad de la disolución preparada.


Por definición, la molaridad M se define como el número de moles de soluto por litro de disolución,

y teniendo en cuenta que el número de moles, n, se calcula dividiendo la masa, m, de la sustancia de que se trate entre el peso molecular, PM, de dicha sustancia, la expresión anterior queda

El peso molecular (PM) del H2CO3 es 1×2 + 12×1 + 16×3 = 62 u. Es decir, que 1 mol equivale a 62 g.


Por definición, la normalidad N se define como el número de equivalentes gramo de soluto por litro de disolución,


Además, El peso equivalente de un compuesto se calcula dividiendo el peso molecular del compuesto por su carga total positiva o negativa.



Para calcular el peso equivalente de los compuestos






Para calcular el número de equivalentes habrá que dividir la masa de la sustancia por el valor de un equivalente gramo,


Retomando los datos del ejercicio anterior y a partir de la definición de Normalidad,

Molalidad (m): Es el número de moles de soluto contenidos en un kilogramo de solvente. Ejemplo, una solución formada por 36.5 g de ácido clorhídrico, HCl , y 1000 g de agua es una solución 1 molal (1 m), reemplazar y corroborar en resultado.



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