4_Disoluciones

DISOLUCIONES

Ing. Marcos Chambi Yana

Ing. Marcos Chambi Yana QMC100 - Qumica General

Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

INTRODUCCIN

La materia homognea puede tratarse de

sustancias puras y mezclas homogneas, en

especial, las disoluciones.

Una sustancia pura se caracteriza por

pertenecer a una fase homognea de

composicin uniforme y completamente

invariable.

En cambio, una disolucin, si bien es

homognea, es una mezcla que est compuesta

por dos o ms sustancias puras y, generalmente,

su composicin puede variar dentro de ciertos

lmites a una determinada temperatura.

Las disoluciones difieren de las sustancias puras

en que son mezclas homogneas de

proporciones variables.

CARACTERSTICAS DE LAS DISOLUCIONES

Una disolucin es una mezcla homognea

formada por dos o ms sustancias puras.

Estas sustancias reciben el nombre de

componentes de la disolucin, que se

denominan corrientemente como soluto y

disolvente.

El soluto, que puede ser una o ms, es la

sustancia que se disuelve, disgrega o dispersa

en el disolvente, y ste, el medio de dispersin. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Por lo general, es el componente que est

presente en pequea cantidad en comparacin

con la sustancia donde se disuelve, o sea, el

disolvente.

En una disolucin acuosa, el soluto se encuentra

disperso ya como molcula o como in. En

muchos casos, las molculas del soluto estn

unidas a las del disolvente.

Por ejemplo, en una disolucin de azcar,

cualquier molcula de azcar est rodeada por

molculas de agua y se considera que est unida

por enlaces hidrgeno a las molculas de agua,

proceso que se conoce como hidratacin.


En una disolucin acuosa de cloruro de sodio, son

los iones que se hidratan. Tanto los iones Na+

como los iones Cl- estn hidratados. O sea,

ambos iones se encuentran rodeados por

molculas de agua; el in sodio positivo atrae al

tomo de oxgeno relativamente negativo de la

molcula del agua y la porcin positiva de la

molcula del agua atrae al in cloruro negativo

hidratndolo.

Por ltimo, digamos que la principal caracterstica

de las disoluciones acuosas consiste en que las

partculas en dispersin (mayores a 1 y menores

a 10 ) no se sedimentan cuando la disolucin

se deja en reposo; ni siquiera, an bajo la accin

de fuerzas centrfugas enormes. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Adems, es de destacar la particularidad de las

mismas, en que sus componentes se pueden

separar por mtodos puramente fsicos, tales

como la destilacin, evaporacin o difusin.

PSEUDODISOLUCIONES

Suspensiones. En realidad, las suspensiones

son mezclas, porque no son homogneas y sus

componentes pueden separarse fcilmente por

filtracin.

En estos sistemas, las partculas dispersas

(mayores a 104 ) no estn unidas a las

molculas del disolvente y s se sedimentan

cuando la suspensin se deja en reposo. Por

ejemplo, aserrn o arena fina con agua. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Coloides. Estos s son realmente

pseudodisoluciones, y se conocen como

dispersiones coloidales.

Son sistemas en que las partculas dispersas

(mayores a 10 y menores de 104 ) no se

sedimentan cuando la dispersin coloidal se deja

en reposo, tal cual ocurre en las suspensiones.

Por ejemplo, almidn en agua, pinturas, etc.

Emulsiones. Son dispersiones coloidales, donde

la materia dispersa es tambin un lquido. Las

emulsiones, en general, presentan un aspecto

blanco porque las gotitas de la sustancia lquida

dispersa reflejan la luz; por ejemplo, la mayonesa,

la leche, etc. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

TIPOS DE DISOLUCIONES

Las disoluciones se pueden clasificar segn el

nmero de componentes que las componen y

as pueden denominarse binarias, ternarias,

cuaternarias, etc. (segn contengan dos, tres o

cuatro componentes).

De acuerdo a la naturaleza del disolvente en

disoluciones acuosas u orgnicas (segn sea el

disolvente agua o un lquido orgnico como el

benceno o acetona).

Segn la naturaleza del soluto en disoluciones

cidas, bsicas o neutras (segn sea el soluto

una sustancia cida, bsica o neutra).


Conforme a la cantidad de sus componentes en

disoluciones diluidas, concentradas, saturadas

o sobresaturadas.

O, segn el estado fsico de sus componentes

en disoluciones gaseosas, lquidas o slidas.

Las disoluciones binarias pueden encontrarse,

en condiciones ordinarias, en los nueve tipos

siguientes:

Disoluciones lquidas. Cuando el disolvente es

lquido:

- Slido en lquido: azcar o sal comn en agua.

- Lquido en lquido: alcohol o anticongelante

(etilenglicol) en agua.

- Gas en lquido: CO2, NH3 o HCl en agua. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Disoluciones slidas. Cuando el disolvente es

slido:

- Slido en slido: aleaciones oro y plata o

estao y plomo (soldadura).

- Lquido en slido: mercurio en oro (amalgama)

o plata (empaste dental).

- Gas en slido: hidrgeno ocluido en paladio.

Disoluciones gaseosas. Cuando el disolvente es

un gas:

- Slido en gas: partculas de polvo en el aire.

- Lquido en gas: vapor de agua en el aire (aire

hmedo).

- Gas en gas: aire y todas las mezclas gaseosas.


FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD

Y LA VELOCIDAD DE LAS DISOLUCIONES

La solubilidad se define como la cantidad

relativa de un soluto en una disolucin, que se

encuentra en contacto con un exceso de dicho

soluto.

En otras palabras, representa la concentracin

mxima posible de la disolucin. Por ejemplo, a

20C, la sal de mesa tiene una solubilidad de 36 g por 100 g de agua; por lo tanto, al agregar 40 g de

NaCl a 100 g de agua, quedarn 4 g sin disolver.

Este es, precisamente, el exceso de soluto en

contacto con la disolucin.


La concentracin de la disolucin as formada, se

conoce como concentracin de saturacin, la

cual es sinnimo de solubilidad.

Aqu, es necesario considerar dos tipos de

factores. Por un lado, aquellos que afectan la

solubilidad de un soluto en un disolvente y, por

otro, aquellos que afectan la velocidad de

disolucin de un soluto en un disolvente.

Factores que afectan la solubilidad. La

solubilidad de un soluto en un disolvente dado

depende, a su vez, de tres factores, que son: las

propiedades del soluto y del disolvente, la

temperatura y la presin.


Propiedades del soluto y del disolvente: las

sustancias inicas o polares, son solubles en

disolventes polares, y las sustancias

covalentes o no polares o polares dbiles, son

solubles en disolventes no polares.

Este hecho nos demuestra por qu el dicho lo

semejante disuelve a lo semejante es,

generalmente, cierto.

Temperatura: La solubilidad de una sustancia en

un determinado disolvente, es una propiedad

fsica caracterstica del sistema que depende slo

de la temperatura. Si se cambia la temperatura,

entonces, se modifica tambin la solubilidad de la

sustancia y esta variacin depende de cada

sistema en particular (figura 1). Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Figura 1. Influencia

de la temperatura

sobre la solubilidad

de algunas sales en

agua


En realidad, dicha variacin est asociada con la

entalpa de disolucin, Hdisol, de la sustancia.

Si Hdisol es positiva (+), el proceso de disolucin es endotrmico y la solubilidad aumenta a

medida que incrementa la temperatura; y, si

Hdisol es negativa (-), el proceso de disolucin es exotrmico y la solubilidad disminuye conforme

aumenta la temperatura.

Presin: Las disoluciones conformadas slo por

slidos y lquidos no se ven afectadas, en forma

apreciable, por la presin. Sin embargo, las

disoluciones de gases en lquidos s tienen una

influencia directa de la presin.


Factores que afectan la velocidad. La velocidad

de disolucin de un soluto en un disolvente

depende de tres factores, que son: tamao de

partcula del soluto, velocidad de agitacin y

temperatura.

Tamao de partcula del soluto: Se considera

que el proceso de disolucin de una sustancia

tiene lugar a travs de su superficie y, por

consiguiente, su velocidad depender de la

mayor o menor rea superficial del soluto

expuesta a las molculas del disolvente.

Por lo tanto, es mucho ms conveniente realizar

esta operacin con partculas menudas (o con

mayor rea superficial total) de soluto, para lograr

disolverlo ms rpidamente. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Velocidad de agitacin: La agitacin tambin

aumenta la velocidad de disolucin, porque

permite que incremente el contacto directo entre

las molculas del disolvente y las partculas del

soluto.

Temperatura: Al margen del efecto de la

temperatura sobre la solubilidad de un soluto en

un disolvente dado, un incremento en la

temperatura da como resultado un aumento en

la velocidad de disolucin.

Este aumento, a su vez, est relacionado con el

incremento de la energa cintica del soluto, del

disolvente y de la propia disolucin.


Con una mayor energa cintica, las unidades

materiales (molculas o iones) que constituyen el

soluto, se separan con mayor facilidad unas de

otras y, adems, las molculas del disolvente

pueden interactuar con mayor frecuencia con las

partculas del soluto.

DISOLUCIONES SATURADAS, NO

SATURADAS Y SOBRESATURADAS

Disoluciones saturadas. Una disolucin

saturada es aqulla que se encuentra en

equilibrio dinmico con el soluto no disuelto.


En una disolucin saturada, la particularidad que

le caracteriza es que la velocidad de disolucin

del soluto sin disolver es igual a la velocidad

de cristalizacin del soluto disuelto.

Disoluciones no saturadas. Una disolucin no

saturada es aqulla en la cual la concentracin

del soluto es menor que la de una disolucin

saturada (en equilibrio) bajo las mismas

condiciones.

En estas disoluciones, la velocidad de disolucin

del soluto sin disolverse es mayor que la de

cristalizacin del soluto disuelto, por lo que, con el

transcurrir del tiempo no queda nada de soluto sin

disolver. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Disoluciones sobresaturadas. Una disolucin

sobresaturada es aqulla en la cual la

concentracin de soluto es mayor que la de una

disolucin saturada (en equilibrio) bajo anlogas

condiciones.

CONCENTRACIN DE LAS DISOLUCIONES

Para identificar una disolucin se debe indicar no

slo los componentes que la forman sino tambin

sus cantidades relativas. Si la cantidad de soluto

es pequea, se dice que la disolucin es diluida

y, si es grande, que es concentrada.


Los trminos diluido (dil) o concentrado

(conc), empleados corrientemente al referirse a

una determinada disolucin, son imprecisos y

puramente cualitativos, pues, nada nos dicen

respecto a la identificacin de la disolucin en

cuanto a la cantidad de soluto disuelto en ella.

La relacin entre la cantidad de soluto

disuelto en una cantidad dada de disolucin o

de disolvente, se conoce como concentracin.

Los mtodos cuantitativos ms comunes para

expresar la concentracin son:

Porcentaje en masa. El tanto por ciento en

masa, expresa la cantidad de soluto en masa en

100 partes en masa de disolucin. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

(1)

Porcentaje en volumen. Para mezclas gaseosas

o lquidas se utiliza, usualmente, la relacin en

volumen.

El tanto por ciento en volumen, se refiere a la

cantidad de soluto en volumen en 100 partes de

disolucin.

Se determina por la siguiente relacin

matemtica:

(2)

% =

100%

% =

100%


Partes por milln. Partes por milln, ppm, es la

concentracin expresada como partes de masa

de soluto por 106 de partes de masa de la

disolucin.

Se calcula de modo siguiente:

(3)

Molaridad. La molaridad, M, o concentracin

molar, expresa el nmero de moles de soluto en

volumen de disolucin, o mejor, moles de soluto

en 1 litro de disolucin:

(4)

=

106

=

1


Normalidad. La normalidad, N, representa el

nmero de equivalentes gramo de soluto en 1 litro

de disolucin:

(5)

Molalidad. La molalidad, m, expresa el nmero

de moles de soluto en masa de disolvente, o

mejor, moles de soluto en 1000 g de disolvente:

(6)

Fraccin molar. La fraccin molar, X, se define

como moles de cada componente en 1 mol de

disolucin.

=

1

=

1000


Por ejemplo, la fraccin molar de un componente

A, XA, de una determinada disolucin es la

relacin que existe entre el nmero de moles de A

en la disolucin nA, y el nmero de moles de

todos los componentes de la disolucin nT.

(7)

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS

DISOLUCIONES

Las propiedades coligativas de las disoluciones

son aqullas (presin de vapor, punto de

congelacin, punto de ebullicin y presin

osmtica) que varan en proporcin con la

concentracin del soluto.

=

=

+


O sea, slo dependen de la cantidad de

partculas de soluto (tomos, molculas o iones)

que estn presentes en un volumen dado de

disolucin y no de la identidad real de dichas

partculas.

Por ejemplo, la sacarosa y la urea cambian los

puntos de ebullicin y de congelacin de un

disolvente dado de un modo idntico, pero, tienen

propiedades completamente diferentes, tales

como la solubilidad, densidad, viscosidad, tensin

superficial, etc.

Descenso de la presin de vapor. Al disolver un

soluto no voltil en un disolvente, la presin de

vapor de ste en la disolucin disminuye con

relacin a la que tiene el disolvente puro. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

La magnitud de esta disminucin est dada por la

ley de Raoult, que dice: A temperatura

constante y en una disolucin diluida, la

disminucin relativa de la presin de vapor es

directamente proporcional a la cantidad de

soluto disuelto en una cantidad especfica de

disolvente.

Este enunciado, podemos expresar

matemticamente as:

(8)

o bien,

(9)

=

=


o mejor an,

(10)

Esta ltima expresin nos dice que: La presin

de vapor del disolvente en la disolucin es

igual a la presin de vapor del disolvente puro

multiplicado por la fraccin molar del

disolvente.

En las ecuaciones anteriores, P* es la presin de

vapor del disolvente puro, P la presin de vapor

del disolvente en la disolucin, ns el nmero de

moles del soluto, nd el nmero de moles del

disolvente, Xs y Xd las fracciones molares del

soluto y disolvente, respectivamente.

=


Disoluciones de solutos voltiles y la ley de

Raoult: En las disoluciones donde el soluto y el

disolvente tienen una presin de vapor apreciable,

podemos aplicar la ley de Raoult a ambos

componentes.

Por lo tanto, con base en la ecuacin (10),

podemos escribir tanto para el soluto A como el

disolvente B, de modo siguiente:

(11)

(12)

Aplicando la ley de Dalton a ambas ecuaciones,

podemos agruparlas en una sola, para determinar

la presin total de la mezcla PT, por encima de la

disolucin.

=

=


(13)

En las ecuaciones (11), (12) y (13), PA* y PB

* son

las presiones de vapor del soluto A y del

disolvente B puros, PA y PB las presiones de vapor

del soluto y del disolvente en la disolucin, XA y

XB las fracciones molares del soluto y del

disolvente, respectivamente.

Ascenso del punto de ebullicin. Recordemos

que, el punto de ebullicin de un lquido es la

temperatura a la cual la presin de vapor del

lquido es igual a la presin externa que acta

sobre l.

= + = +


En la disolucin de un soluto que no es voltil en

un disolvente, la presin de vapor disminuye; por

lo tanto, para que la presin de vapor del

disolvente iguale a la presin externa se necesita

suministrar ms calor.

Esto asciende el punto de ebullicin de la

disolucin por encima del que tiene el disolvente

puro.

En disoluciones diluidas, el ascenso del punto

de ebullicin Te, a presin constante, es directamente proporcional a la concentracin

molal m del soluto.

Convirtiendo la proporcionalidad en igualdad, se

obtiene: Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

(14)

donde, Ke es una constante caracterstica del

disolvente e independiente de la naturaleza del

soluto, denominada constante molal de ascenso

del punto de ebullicin o constante

ebulloscpica molal; y,

(15)

Descenso del punto de congelacin. Para que

un lquido se congele o solidifique, la energa

cintica de sus partculas debe disminuir y,

contrariamente, aumentar las fuerzas de atraccin

entre ellas.

=

=


En una disolucin de un soluto no voltil en un

disolvente, precisamente, el soluto impide que el

disolvente se separe hacia el estado slido.

Por lo tanto, para congelar o solidificar se

necesita una temperatura ms baja; o sea, que

debe eliminarse ms calor.

Esto hace que descienda el punto de

congelacin de la disolucin por debajo del que

tiene el disolvente puro.

En disoluciones diluidas, el descenso del punto

de congelacin Tc es directamente proporcional a la molalidad m de la disolucin.

Por consiguiente, Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

(16)

donde, Kc es una constante caracterstica del

disolvente e independiente de la naturaleza del

soluto, denominada constante molal del

descenso del punto de congelacin o

constante crioscpica molal; y,

(17)

Presin osmtica de las disoluciones. La

smosis consiste en la tendencia de las

partculas del disolvente a pasar a travs de una

membrana semipermeable desde una disolucin

diluida hacia otra ms concentrada a una

velocidad mayor que en el sentido inverso.

=

=


El resultado de la smosis es la tendencia que

tienen las disoluciones, colocadas lado a lado, y

separadas por una membrana semipermeable a

alcanzar la misma concentracin.

El proceso de la smosis, aparte de diluir la

disolucin ms concentrada, aumenta su volumen

y, si el nivel de la misma se eleva por encima del

nivel de la otra menos concentrada, se produce

una presin hidrosttica que aumenta,

gradualmente, la tendencia de las partculas del

disolvente en la primera disolucin en pasar hacia

la segunda disolucin.

En un instante dado, ambos flujos se igualan,

establecindose en consecuencia, un estado de

equilibrio dinmico. Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

Esta condicin de equilibrio, puede alcanzarse si

se aplica sobre la disolucin una presin externa

adecuada que iguale el flujo en ambos sentidos.

Esta presin recibe el nombre de presin

osmtica.

Para una disolucin diluida, la presin osmtica

es una magnitud que depende, fundamentalmente, de la concentracin molar

M, o mejor c, de la disolucin y, en menor

extensin, de la temperatura T.

No depende de la naturaleza del disolvente ni del

soluto.

Se calcula segn la ecuacin matemtica

siguiente: Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

(18)

donde, V es el volumen de la disolucin, n es el

nmero de moles de soluto disueltos en dicho

volumen, R es la constante universal de los gases

y T es la temperatura absoluta; c es la

concentracin molar de la disolucin.

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS

DISOLUCIONES INICAS

Electrolitos. Un electrolito es la sustancia, que

al disolverse en agua, se disocia en iones, bien

por ser compuestos inicos tales como bases y

sales en general, o bien por formarse previamente

los iones al reaccionar la sustancia con el agua.

=

=


Estos iones actan, independientemente, unos de

otros, para producir su propio efecto coligativo.

Factor de vant Hoff. Para interpretar apropiadamente el efecto coligativo de los

electrolitos, deben modificarse necesariamente

las ecuaciones (9), (14 y (16) anteriores,

insertando en las mismas un multiplicador

inico denominado corrientemente como el

factor de vant Hoff i, el cual involucra el nmero real de partculas que se forman por cada unidad-

frmula de soluto.

As, por ejemplo, si introducimos dicho factor i en

la relacin matemtica (9), la ecuacin corregida

resulta: Ing. Marcos Chambi Yana - Disoluciones

(19)

Las ecuaciones corregidas de las relaciones

matemticas (14) y (16), son:

(20)

(21)

Grado de ionizacin. Asimismo, podemos utilizar

los resultados de las propiedades coligativas para

determinar el grado de ionizacin real de un electrolito relativamente dbil.

=

=

=


Puesto que, cualquier propiedad coligativa es i

veces mayor que el valor terico correspondiente

al nmero de partculas disueltas, tendremos:

(22)

donde, i es el factor correctivo de vant Hoff y es el nmero de iones por unidad de frmula.

PROBLEMAS

= 1

1


BIBLIOGRAFA

- Chambi Yana, M.; Qumica Preuniversitaria, Ed.

- Babor, J. A. e Ibarz Aznrez, J.; Qumica General

Moderna, Ed. Marn S.A.

- Longo, F. R.; Qumica General, Ed. McGraw-Hill

- Rosenberg, J. L. y Epstein, L. M.; Qumica

General, Ed. McGraw-Hill, Serie Schaum

- Chang, R. y College, W.; Qumica, Ed. McGraw-

Hill

- Ibarz Aznrez, Jos; Problemas de Qumica

General, Ed. Marn S.A.

- Mahan, B. y Hyers; Qumica - Curso

Universitario, Ed. Fondo Educativo


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