QUIMAY: Soluciones

SOLUCIONES

Concentracion de una solución

La concentración de una solución es la proporción o relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente, donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente la sustancia que disuelve al soluto, y la disolución es el resultado de la mezcla homogénea de las dos anteriores. A menor proporción de soluto disuelto en el disolvente, menos concentrada está la disolución, y a mayor proporción más concentrada ésta

A menudo en el lenguaje informal, no técnico, la concentración se describe de una manera cualitativa, con el uso de adjetivos como "diluido" o "débil" para las disoluciones de concentración relativamente baja, y de otros como "concentrado" o "fuerte" para las disoluciones de concentración relativamente alta. En una mezcla, esos términos relacionan la cantidad de una sustancia con la intensidad observable de los efectos o propiedades, como el color, sabor, olor, viscosidad, conductividad eléctrica, etc, causados por esa sustancia. Por ejemplo, la concentración de un café puede determinarse por la intensidad de su color y sabor, la de una limonada por su sabor y olor, la del agua azucarada por su sabor.

Dependiendo de la proporción de soluto con respecto al disolvente, una disolución puede estar diluida o concentrada:

Solución diluida: Es aquella en donde la cantidad de soluto está en una pequeña proporción en un volumen determinado.

Solución concentrada: Es la que tiene una cantidad considerable de soluto en un volumen determinado. Las soluciones saturadas y sobresaturadas son altamente concentradas.

Formas de expresar la concentración

La concentración de una solución viene dada por la proporción entre sus componentes (soluto y solvente) o entre el soluto y la solución.

Esta relación se puede establecer desde el punto de vista cualitativo o cuantitativo y, dentro de esto último tomar como base de referencia la masa o el volumen.

Las diversas formas de expresión las esquematizamos en el siguiente cuadro:


Tabla 1- "Forma de expresar la concentración de las soluciones".

De forma cualitativa

Solución insaturada: Cuando la cantidad de soluto disuelta es pequeña en relación con la cantidad de solvente.

Solución concentrada: Disolución que contiene gran cantidad de soluto respecto a la de solvente, sin llegar al límite de saturación.

Solución saturada: Cuando el solvente no admite ya más cantidad de soluto,a esa temperatura.

Solución sobresaturada: Es aquella que contiene más sustancia disuelta que la que le correspondería en relación a la temperatura. Por evaporación o adición de cristales de soluto, puede producirse una cristalización, debido al exceso de soluto.

De forma cuantitativa

Para usos científicos o técnicos, una apreciación cualitativa de la concentración casi nunca es suficiente, por lo tanto las medidas cuantitativas son necesarias para describir la concentración.

A diferencia de las concentraciones expresadas de una manera cualitativa o empírica, las concentraciones expresadas en términos cuantitativos o valorativos toman en cuenta de una manera muy precisa las proporciones entre las cantidades de soluto y disolvente que se están utilizando en una solución. Este tipo de clasificación de las concentraciones es muy utilizada en la industria, los procedimientos químicos, en la farmacia, la ciencia, etc, ya que en todos ellos es necesario mediciones muy precisas de las concentraciones de los productos.

Hay varias maneras de expresar la concentración cuantitativamente, basándose en la masa, el volumen, o ambos. Según cómo se exprese, puede no ser trivial convertir de una medida a la otra, pudiendo ser necesario conocer la densidad. Ocasionalmente esta información puede no estar disponible, particularmente si la temperatura varía. Por tanto, la concentración de la solución puede expresarse como:

Porcentaje masa-masa (% m/m)

Porcentaje volumen-volumen (% V/V)

Porcentaje masa-volumen (% m/V)

Molaridad

Molalidad

Normalidad

Fracción molar

En concentraciones muy pequeñas:

Partes por millón (ppm)
Partes por billón (ppb)
Partes por trillón (ppt)

Porcentaje masa-masa (% m/m)

Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 gramos de solución:

$\% \mbox{masa} = \frac{\mbox{masa de soluto(g)}}{\mbox{masa de disolución(g)}} \cdot 100$

Porcentaje volumen-volumen (% V/V)

Expresa el volumen de soluto por cada cien 100 mililitros de solución. Se suele usar para mezclas líquidas o gaseosas, en las que el volumen es un parámetro importante a tener en cuenta. Es decir, el porcentaje que representa el soluto en el volumen total de la solución. Suele expresarse simplificadamente como % v/v.

$\ % \mbox{ volumen} = \frac{\mbox{volumen de soluto}(mL)}{\mbox{volumen de disolución}(mL)}\cdot 100$

Por ejemplo, si se tiene una disolución del 20% en volumen (20% v/v) de alcohol en agua quiere decir que hay 20 mL de alcohol por cada 100 mL de solución.

Porcentaje en masa- volumen (% m/V)

Se pueden usar también las mismas unidades que para medir la densidad aunque no conviene combinar ambos conceptos. La densidad de la mezcla es la masa de la solución dividida por el volumen de ésta, mientras que la concentración en dichas unidades es la masa de soluto dividida por el volumen de la solución por 100. Se suelen usar gramos por mililitro (g/mL) y se expresa como ´% m/V

$\ % \mbox{ m/V} = \frac{\mbox{masa de soluto}(g)}{\mbox{volumen de disolución}(mL)}\cdot 100$

Molaridad (M)

La molaridad (M), o concentración molar, es el número de moles de soluto por cada litro de disolución. Por ejemplo, si se disuelven 0,5 moles de soluto en 1000 mL de disolución, se tiene una concentración de ese soluto de 0,5 M (0,5 molar). Para preparar una disolución de esta concentración habitualmente se disuelve primero el soluto en un volumen menor, por ejemplo 300 mL, y se traslada esa disolución a un matraz aforado, para después enrasarlo con más disolvente hasta los 1000 mL. la molaridad se expresa de la siguiente manera:

$M =\frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{litros de disolución}}$

Es el método más común de expresar la concentración en química, sobre todo cuando se trabaja con reacciones químicas y relaciones estequiométricas. Sin embargo, este proceso tiene el inconveniente de que el volumen cambia con la temperatura.

Se representa también como: M = n / V, en donde "n" son los moles de soluto (n=gr soluto/PM) y "V" es el volumen de la disolución expresado en litros.

Molalidad(m)

La molalidad (m) es el número de moles de soluto que contiene un kilogramo de disolvente. Para preparar disoluciones de una determinada molalidad, no se emplea un matraz aforado como en el caso de la molaridad, sino que se puede hacer en un vaso de precipitados y pesando con una balanza analítica, previo peso del vaso vacío para poderle restar el correspondiente valor.

$m = \frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{kg de disolvente}}$

La principal ventaja de este método de medida respecto a la molaridad es que como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la molalidad no está en función del volumen, es independiente de la temperatura y la presión, y puede medirse con mayor precisión. Es menos empleada que la molaridad pero igual de importante.

Normalidad (N)

La normalidad (N) es el número de equivalentes (eq-g) de soluto (sto) por litro de disolución (Vsc).

$N=\frac{eq g_{sto}}{V_{sc}}$

El número de equivalentes se calcula dividiendo la masa total por la masa de un equivalente:

n = m / m eq

, o bien como el producto de la masa total y la cantidad de equivalentes por mol, dividido por la masa molar: $n={m\cdot v}/{m_{eq}}$ .

Normalidad ácido-base

Es la normalidad de una disolución cuando se utiliza para una reacción como ácido o como base. Por esto suelen titularse utilizando indicadores de pH.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}\cdot{H^{+}}$ para un ácido, o $n={moles}\cdot{OH^{-}}$ para una base.

Donde:

n es la cantidad de equivalentes.
moles es la cantidad de moles.
H⁺ es la cantidad de protones cedidos por una molécula del ácido.
OH^– es la cantidad de hidroxilos cedidos por una molécula de la base.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}\cdot{H^{+}}$ para un ácido, o $N={M}\cdot{OH^{-}}$ para una base.

Donde:

N es la normalidad de la disolución.
M es la molaridad de la disolución.
H⁺ es la cantidad de protones cedidos por una molécula del ácido.
OH^– es la cantidad de hidroxilos cedidos por una molécula de la base.

Ejemplos:

Una disolución 1 M de HCl cede 1 H⁺, por lo tanto, es una disolución 1 N.
Una disolución 1 M de Ca (OH)₂ cede 2 OH^–, por lo tanto, es una disolución 2 N.

Normalidad redox

Es la normalidad de una disolución cuando se la utiliza para una reacción como agente oxidante o como agente reductor. Como un mismo compuesto puede actuar como oxidante o como reductor, suele indicarse si se trata de la normalidad como oxidante (N_ox) o como reductor (N_rd). Por esto suelen titularse utilizando indicadores redox.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}\cdot{e^{-}}$ .

Donde:

n es la cantidad de equivalentes.

moles es la cantidad de moles.

e^– es la cantidad de electrones intercambiados en la semirreacción de oxidación o reducción.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}\cdot{e^{-}}$

Donde:

N es la normalidad de la disolución.
M es la molaridad de la disolución.
e^–: Es la cantidad de electrones intercambiados en la semirreacción de oxidación o reducción.

Ejemplos:

En el siguiente caso vemos que el anión nitrato en medio ácido (por ejemplo el ácido nítrico) puede actuar como oxidante, y entonces una disolución 1 M es 3 N_ox.

4 H⁺ + NO₃^– + 3 e^– ↔ NO + 2 H₂O

Fracción molar

Fracción molar del soluto (χs): Es la proporción entre los moles de soluto (ns) y los moles de disolución (nD = ns + nd). Un concepto similar, sería la fracción molar del disolvente χd ( nd/nD).

UTILIZAR LOS SIMULADORES DE CONCENTRACIÓN DE UNA SOLUCIÓN

Temas principales

Soluciones
Concentración
Molaridad
Moles
Volumen
Saturación
Solubilidad

Objetivos de aprendizaje de la muestra

Describir las relaciones entre el volumen y la cantidad de soluto de la concentración de la solución.
Explicar cómo el color y la concentración de la solución están relacionados.
Predecir cómo va a cambiar la concentración de la solución para cualquier acción (o conjunto de acciones) al agregar o eliminar agua, soluto, o una solución, y explicar por qué.
Diseñar un procedimiento para crear una solución de una concentración dada.
Diseñar y justificar un procedimiento para cambiar una solución de una concentración a otro.
Identificar cuándo una solución está saturada y predecir cómo la concentración cambiará para alguna acción o conjunto de acciones donde cambia el agua o soluto.

https://sites.google.com/site/smmfisicayquimica/simuladores#TOC-Simulador-de-concentraci-n-de-una-disoluci-n

http://www.colegiocovadonga.edu.ar/marcos/actividades2/autoevaluacin.html

SOLUBILIDAD EN DISOLUCIONES QUÍMICAS
¿QUÉ ES LA SOLUBILIDAD?

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de disolvente a una temperatura dada. La solubilidad permite predecir si se formara un precipitado cuando se mezclan dos soluciones o cuando se agrega un soluto a la solución.

¿Haz escuchado la frase “lo semejante disuelve lo semejante”?
Sin duda la haz oído de tu profesor de química o ciencias en clases!!!!.

Esta frase se debe a que las sustancias son solubles en medios de polaridad semejante (propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas). Si tomamos como ejemplo el agua, que es el solvente que comúnmente utilizamos, veremos que no todas las sustancias son solubles en este medio. Así, el aceite, será insoluble en un medio acuoso, ya que es una sustancia apolar y el agua es una sustancia polar, por lo tanto se debiera esperar que sea insoluble en un medio acuoso. El agua, que es una molécula polar (ver figura a la derecha), disolverá compuestos polares, como el azúcar o el etanol, o compuestos iónicos como la sal común.

Los compuestos se dividen en tres grandes categorías llamadas solubles, ligeramente solubles e insolubles. Específicamente, para los líquidos se recurre a términos más específicos: miscible e inmiscible. Aquellos líquidos que pueden mezclarse entre si y formar una solución acuosa son sustancias miscibles (ejemplo: agua y alcohol), y los líquidos que no forman soluciones o son insolubles entre sí se denominan inmiscibles (ejemplo: agua y aceite).

Factores que afectan la solubilidad

La solubilidad de un compuesto en un determinado solvente depende de la naturaleza química del soluto y solvente, la temperatura y la presión.

La naturaleza del soluto y del disolvente. La solubilidad aumenta entre sustancias cuyas moléculas son análogas en sus propiedades eléctricas y estructuralmente. Cuando existe una similitud en las propiedades eléctricas del soluto y solvente, se incrementan las fuerzas intermoleculares, favoreciendo la disolución de del soluto en el solvente.

Efecto de la temperatura en la solubilidad. La temperatura de la solución afecta la solubilidad de la mayoría de las sustancias. La figura 3 muestra la dependencia entre la solubilidad en agua de algunos compuestos iónicos y la temperatura. Generalmente, la solubilidad de la sustancia sólida se incrementa con la temperatura.

La solubilidad de los sólidos en medio acuoso se expresa de acuerdo con la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 mL de agua (g/100 mL H2O), o bien la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 g de agua (g/100 g H2O). El siguiente gráfico muestra la solubilidad en agua de compuestos iónicos en función de la temperatura:

La figura 3 muestra la dependencia de la solubilidad con la temperatura de algunos compuestos iónicos. En la mayoría de los compuestos la solubilidad se incrementa, al aumentar la temperatura, pero en el caso del Ce2(SO4)3 disminuye y NaCl varia en un porcentaje menor.

En contraste con la solubilidad de los sólidos, la solubilidad de los gases en agua siempre disminuye al incrementarse la temperatura. Cuando se ha calentado agua en un vaso, se puede observar burbujas de aire que se forman en las paredes del vidrio antes de que hierva, esto significa que la concentración de agua en estado gaseoso disminuye al incrementarse la temperatura.

ACTIVIDADES

% m/v, % m/m, % v/v

1) Sabiendo que una solución acuosa contiene 50 gr de Na2SO4, en 700 ml de solución:
a) Indique cuál es el soluto y cuál el solvente.
b) Calcule cuál es su concentración en porcentaje masa/volúmen (%m/v).

2) Una solución acuosa de nitrato de zinc contiene 10 gr de sal en 70 gr de solución. Expresar la concentración en :

a) gramos de sal por 100 gr de de agua.

b) gr de sal por 100 gr de solución.

3) Se disuelven 7 gr de cloruro de sodio en 43 gr de agua. Expresar la concentración en :

a) gramos de sal por 100 gr de solución.

b) gramos de sal por 100 cm3 de agua.

4) Una solución contiene 6 gr de soluto en 20 gr de solución, y su densidad es 1,2 gr/cm3. Calcular su concentración en:

a) gramos de soluto por 1000 gr de solución,

b) gramos de soluto por dm3 de solución.

5)

6) Una solución acuosa de NaCl tiene una concentración de 10 gr de sal en 150 gr de solución. Calcular la concentración en:
a) gr de sal por 100 gr de agua.
b) gr de sal por 100 gr de solución

7) Se tiene una solución acuosa de H2SO4 que contiene 30 gr de ácido en 100 gr de solución. La densidad de la solución es 1,3 gr/cm3. Expresar su concentración en:
a) gr de ácido por 100 gr de agua.
b) gr de ácido por dm3 de solución.
c) gr de ácido por dm3 de agua.

_____________________________________________________________________________

NORMALIDAD

1) Hallar el equivalente-gramo de los siguientes ácidos:

a) HNO3

b) H2SO4

c) H3PO4

2) Hallar el equivalente-gramo de las siguientes bases o hidróxidos:

a) Na(OH)

b) Ca(OH)2

c) Fe(OH)3

3) Hallar el equivalente-gramo de las siguientes sales:

a) Na2SO4

b) Al2(CO3)3

4) Calcular cuántos gramos de ácido sulfúrico (H2SO4) serán necesarios para obtener 3 dm3 de solución 1 N.

5) En un dm3 de solución de hidróxido de sodio (Na(OH)) se halla disuelta una masa de 0,4 gr de soluto. ¿Cuál es la normalidad de la solución?

6) Hallar el N° de equivalentes-gramo de soluto presentes en 150 ml de una solución 3N.

7) ¿Cuál es la normalidad de una solución de cloruro de sodio que contiene 40 gr de sal en 300 ml de solución?

8) Sabiendo que una solución acuosa contiene 58 gr de Na2SO4 en 700 ml de solución, señale cuál es su normalidad.

9) ¿Cuántos gramos de ácido sulfúrico (H2SO4) se necesitan para preparar 5 litros de solución 2N?

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Porcentaje volumen-volumen (% V/V)

Porcentaje en masa- volumen (% m/V)

Normalidad ácido-base

Es la normalidad de una disolución cuando se utiliza para una reacción como ácido o como base. Por esto suelen titularse utilizando indicadores de pH.

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