Cap 8 Soluciones Acuosas

SOLUCIONES ACUOSAS DANIEL ADOLFO ALCÁNTARA MALCA

CAPÍTULO 8

8.1 SOLUCIONES (Disoluciones)

Es una mezcla homogénea de dos o más sustancias, en el que cada volumen elemental posee una composición química y propiedades idénticas. Las soluciones constan de un solvente y uno o más solutos.

Soluto:

Es una o más sustancias que generalmente está(n) en menor cantidad en la solución.

Disolvente (solvente):

Es el componente de la solución que generalmente está en mayor cantidad y determina el estado de agregación en la que se encuentra una solución.

El solvente es el componente que permite que los otros componentes puedan disgregarse o separarse hasta moléculas o iones.

Ejemplo La bebida gaseosa, es una solución de dióxido de carbono, CO2 , colorantes, edulcorantes (azúcar) y conservantes en agua.

Solutos : Dióxido de Carbono, Colorantes, Azúcar y conservantes. Disolvente : Agua (líquido)Solución : Líquida

8.2 CLASIFICACION DE LAS SOLUCIONES

Por el número de componentes:

Binarias : Si tienen un soluto y el solvente. Ternarias : Si se tienen dos solutos y el solvente.

Por la naturaleza del soluto:

1


Soluciones moleculares.- Cuando el soluto por acción del disolvente se divide o se disgrega hasta moléculas. Estas soluciones no conducen la corriente eléctrica (solución no electrolítica)Ejemplo Azúcar común (sacarosa, C12H22O11) disuelta en agua; alcohol (C2H5OH) en agua, etc.

Soluciones iónicas o electrolíticas.- Cuando el soluto por acción del solvente se disgrega hasta iones (cationes y aniones). Se les denomina soluciones electrolíticas y son conductores de la corriente eléctrica.

Los electrolitos son generalmente compuestos iónicos o algunos compuestos moleculares que por acción del disolvente se ionizan en aniones y cationes.

Por ejemplo, la sal (NaCl) es un electrolito fuerte en agua; pues, en esta solución el cloruro de sodio se halla disociada en iones Na+

(ac) y Cl-(ac) y le

confieren alta conductividad eléctrica; mientras que el ácido acético (CH3COOH) es un electrolito débil; pues disuelto en agua, no se ioniza totalmente, dando baja conductividad eléctrica.

Por su estado de agregación:

Las soluciones pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas dependiendo del estado físico del disolvente.

Tabla 8.4 Clasificación de Soluciones por su estado de agregación.

Estado de la solución

Estado del disolvente

Estado del soluto

Ejemplos

Gaseoso GaseosoGaseoso AireLíquido No existeSólido No existe

Líquido LíquidoGaseoso Oxígeno en agua,

Bebidas gaseosaLíquido Alcohol en aguaSólido Sal en agua

Sólido Sólido

Gaseoso Hidrógeno en PtLíquido Mercurio en plata

Sólido Aleaciónes: Cu-Ni; Au-Ni, Pt-Au.

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Las soluciones líquidas son las más comunes, siendo las más conocidas las soluciones acuosas (cuando el solvente es agua).

8.3 SOLUBILIDAD ( S )

Es la máxima cantidad de soluto que logra disolverse en una cantidad dada de solvente (generalmente en 100 g de agua) a una temperatura determinada. Es una propiedad física (intensiva) que caracteriza a una sustancia.

Ejemplo

Solubilidades de sales (g de soluto por 100 g de agua) y su variación con la temperatura:

Tabla 8.5 Solubilidad de algunas sales a diferentes temperaturas.

Sal 20 ºC 40 ºC 80 ºCNaCl 37 38 39KCl 33 39 50KNO3 33 65 168

Na2SO4 60 53 44

8.4 CURVA DE SOLUBILIDAD

Muestra la variación de la solubilidad con los cambios de temperatura. Si se enfría una solución saturada la solubilidad del soluto disminuye y el exceso de éste se separa en forma de cristales. La cantidad de soluto separada se puede calcular usando la Figura 8.1.

Ejemplo Si una solución acuosa saturada de KNO3 se enfría desde 80 ºC hasta 20 ºC se separan (168 33) = 135 g de esta sal por cada 100 g del solvente.

3

Figura 8.1 Dependencia de la solubilidad con respecto a la temperatura de algunos compuestos iónicos en el agua


8.4 CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES

Indica la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de solución.

Formas de expresar la concentración del soluto En unidades físicas:- Porcentaje en masa - Porcentaje en volumen - Porcentaje en masa/volumen

En unidades químicas:- Fracción molar (X)- Molaridad (M)- Molalidad (m)- Normalidad (N)

8.4.1 Unidades Físicas de Concentración Son tipos de concentración que no dependen de la naturaleza química de los componentes. Sólo se realizan cálculos, según la cantidad de dichos componentes.

Porcentaje en masa Expresa la cantidad de gramos de soluto contenidos en 100 gramos de solución.

Ejemplo

Solución de HCl al 10 % en masa, indica que existen 10 g de HCl disueltos en 100 g de solución.

Porcentaje en volumen:

Expresa la cantidad de mililitros de soluto en 100 mililitros de solución.

Ejemplo

4


Solución de Alcohol etílico al 20 % en volumen: indica que existen 20 mL de alcohol etílico disueltos en 100 mL de solución.

8.4.2 Unidades químicas de concentración Son aquellos tipos de concentración que dependen de la naturaleza química, de los componentes de la solución, ya que relaciona a la masa molar y también a la masa equivalente.

Fracción Molar (X). Indica la relación de moles de uno de los componentes de la solución (soluto o solvente) respecto al número total de moles contenidos en la solución. Así tenemos las siguientes expresiones:

y también

Se cumple que: Xsto + Xste = 1

Ejemplo

Se disuelve 10 g de NaOH en 90 g de agua. ¿Cuál es la fracción molar del soluto y del solvente en esta solución?

Solución:Datos: NaOH ( = 40 g/mol) y H2O ( = 18 g/mol)

Hallamos los moles de cada componente:

NaOH : n = = 0,25 moles de soluto

H2O : n = = 5 moles de solvente

Los moles totales de la solución son: 0,25 + 5 = 5,25

Hallamos las fracciones molares (X) de cada uno:

5


Xsto = = 0,048 ; Xste = = 0,952

Obsérvese que se cumple que la suma de fracciones molares es 1.

0,048 + 0,952 = 1

Molaridad (M)

Indica el número de moles del soluto que están contenidos en 1 litro de solución.

M =

También se cumple que:

M =

EjemploInterpretación: Una solución de ácido sulfúrico 2 M (2 molar) indican, las siguientes expresiones:

Contiene 2 moles de H2SO4 por litro de soluciónContiene 196 g de H2SO4 por litro de soluciónContiene 2 moles de H2SO4 por 1 000 ml de soluciónContiene 2 milimoles de H2SO4 por ml de solución

Molalidad (m)

Indica el número de moles de soluto que se han disuelto en 1 Kg de solvente.

m =

Ejemplo

Interpretación: una solución acuosa 0,5 m (0,5 molal) de HCl indican, las siguientes afirmaciones:

Contiene 0,5 moles de HCl disueltos en 1 Kg de agua.Contiene 0,5 moles de HCl disueltos en 1000 g de agua.

6

n =


Contiene 0,5 milimoles de HCl disueltos en 1 g de agua.

EjemploSe disuelven 0,2 kg de NaOH puro en 2 500 g de agua, ¿Cuál es la molalidad de la solución?.

Solución:

Hallamos los moles deNaOH ( = 40 g/mol)

Hallamos la molalidad (m) m =

Normalidad (N)

Indica el número de equivalentes de soluto en 1 litro de solución.

N =

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También se expresa como:

N =

Interpretación: Una solución acuosa de HNO3 0,4 N (0,4 normal), indica las siguientes afirmaciones:

Contiene 0,4 equivalentes de HNO3 disueltos en 1 litro de solución.Contiene 0,4 equivalentes de HNO3 disueltos en 1000 ml de solución.Contiene 0,4 miliequivalentes de HNO3 disueltos en 1 mililitro de solución

NOTA: El porcentaje en masa, la fracción molar y la molalidad no varían su valor numérico al cambiar la temperatura.

8.5 FORMAS DE CALCULAR EL NÚMERO DE EQUIVALENTES

En función de la masa:

# equivalentes =

siendo: q : masa equivalente Para calcular la q, se tiene en cuenta:

Para un elemento:

q =

Elemento de OxidaciónO2 Fe3+

1656

23

818,7

Para un compuesto:

Compuesto H2SO4 98 2 49

8


NaOH 40 1 40

siendo : capacidad de reacción (eq/mol).

Dicho parámetro “” se determina de acuerdo al soluto. Así, se tiene:

Acidos : = # iones H+ sustituidosHidróxidos : = # iones OH- sustituidosSales : = carga neta del catión o del aniónOxido : = 2 Oxígenos

En función del número de moles (n). # equivalentes = n

8.6 RELACION ENTRE LA NORMALIDAD Y LA MOLARIDAD

N = M

Ejemplo

Se tiene una solución de Ca(OH)2 0,4 M. ¿Cuál es su normalidad?

Solución:

Como dicha base tiene 2 iones OH = 2 eq/mol

Entonces: N = 0,4 2 = 0,8 eq / L = 0,8 N

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8.7 OPERACIONES CON SOLUCIONES

Dilución

Proceso físico por el cual se agrega más solvente a una solución logrando disminuir la concentración inicial.

Se cumple que la masa, los moles o los equivalentes del soluto se mantienen constantes y el volumen de la solución inicial se adiciona al volumen del disolvente agregado para obtener el volumen final.

En soluciones normales:

# equivalentes (soluto 1) = # equivalentes (soluto 2)

Se cumple: N1 V1 = N2 V2 donde N : normalidad V : volumen de la solución

En soluciones molares, también se cumple que:

# moles (soluto 1) = # moles (soluto 2)

entonces: M1 V1 = M2 V2 donde M : Molaridad

Ejemplo:

A 200 mL de una solución acuosa de HCl 0,6 M se le agregan 300 mL de agua. ¿Cuál será la nueva molaridad?

Solución:Se aplica: M1V1 = M2V2 , entonces:

0,6 200 = M2 500 M2 = 0,24 mol / L 0,24 M

Mezcla De Soluciones

Proceso físico por el cual dos o más soluciones de un mismo soluto, son mezclados en proporciones que pueden ser variables, obteniéndose así una solución resultante de concentración intermedia. Los equivalentes o moles de los solutos pueden sumarse para obtener los equivalentes o moles finales.

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Cuando mezclamos una solución 1 con otra solución 2, para obtener una nueva solución 3, se cumple que:

# equivalentes.(soluto1) + # equivalentes.(soluto2) = # equivalentes.(soluto 3)

Entonces: N1 V1 + N2 V2 = N3 V3

También se cumple que:

# moles (soluto 1) + # moles (soluto 2) = # moles (soluto 3)

Entonces: M1 V1 + M2 V2 = M3 V3

8.8 ESTEQUIOMETRÍA QUE INCLUYE SOLUCIONES

Se seguirá el mismo procedimiento que en los problemas del capítulo anterior de estequiometría, con la única diferencia que se va a usar volúmenes y concentraciones de las soluciones.

Si conocemos la ecuación química y la cantidad de un reactivo consumido en la reacción, podemos calcular las cantidades de otros reactivos y productos. Recordemos que los coeficientes de una ecuación balanceada indican los números relativos de moles de reactivos y productos. Para aprovechar esta información, debemos convertir las cantidades de sustancias que intervienen en una reacción a número de moles.

Cuando tenemos la masa en gramos de la sustancia, como hicimos en estequiometría, usamos la masa molar para efectuar dicha conversión; pero cuando estamos trabajando con soluciones de molaridad conocida usamos la molaridad y el volumen para determinar el número de moles (moles de soluto = M V).

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Ejemplo

¿Qué volumen de KCl 0,2 M, se necesita para reaccionar completamente con 200 mL de una solución 0,5 M de Pb(NO3)2?.

Reacción: 2 KCl(ac) + Pb(NO3)2(ac) PbCl2(s) + 2KNO3(ac)

Solución: # moles Pb(NO3)2 = 0,5 0,2 = 0,1 mol

De la ecuación química balanceada:

2 moles de KCl 1 mol de Pb (NO3)2

nKCl 0,1 mol de Pb (NO3)2

De donde: nKCl = 0,2 moles de KCl

Finalmente Vsol. =

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PROBLEMAS PROPUESTOSPROBLEMAS PROPUESTOS

1. La densidad de una solución al 40% en masa de KSCN a 20 ºC es 1,2 g/mL. ¿Cuál es la fracción molar de KSCN en la solución?

: K = 39; S = 32; C = 12; N = 14

Respuesta: 0,1

2. La densidad de una solución al 18% en masa de CuSO4 es 1,2 g/mL ¿Cuál es la molaridad, normalidad y molalidad de la solución?

: Cu = 63,5; S = 32; O = 16

Respuesta: 1,35 M ; 2,7 N ; 1,37 m

3. Se prepara una solución disolviendo 4,88 g de ácido benzoico, C7H6O2, en 200 mL., de CCl4 (ρ = 1,6 g/mL). ¿Cuál es la molalidad de la solución?

Respuesta: 0,125 m

4. Una solución que contiene 192 g de ácido ascórbico, C6H8O6, disuelto en 500 mL de agua, tiene una densidad de 1,2 g/mL a 55ºC. Calcule, para el ácido ascórbico:

a. El porcentaje en masa c. La molalidad b. La fracción molar d. La molaridad

Respuesta: a) 27,7 % b) 0,04 c) 2,18 m d) 1,89 M

5. Calcular la normalidad de una solución que resulta al mezclar:25 ml de solución de NaOH al 20% en masa y con densidad 1,2 g/mL 225 ml de solución de NaOH al 9% en masa y con densidad 1,1 g/mL 250 ml de agua destilada.

Respuesta: 1,4 N

6. ¿Qué volumen (mL) de una solución al 96% en masa de H2SO4 (ρ = 1,8 g/mL) se deben tomar para la preparación de 500 mL de una solución 0,2 N?

Respuesta: 2,8

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7. ¿Qué volumen (mL) de ácido clorhídrico 0,8 M serán necesarios para preparar 800 mL de cloro, medidos a 27 ºC y 1248 mm de Hg?. Considere un rendimiento de la reacción de 75%.

2 KMnO4(S) + 16 HCl(ac) 2 MnCl2(ac) + 5 Cl2(g) + 2KCl(ac) + 8 H2O(l)

Respuesta: 283

8. Se hace reaccionar 8,7 g de dióxido de manganeso, MnO2, con 250 mL de HCl 2M. ¿Cuál es el volumen en mL de cloro producido en C.N.? Rendimiento de la reacción 70%.

: Mn = 55; O = 16

MnO2(S) + HCl(ac) MnCl2(ac) + Cl2(g) + H2O(l)

Respuesta: 1 568

9. ¿Qué masa de agua hay que añadir a 500 mL de solución al 30% en masa de NaOH (ρ = 1,3 g/ mL) para obtener una solución al 15% en masa de NaOH?

Respuesta.: 650 g

10. La densidad de una solución al 20 % en masa de CuSO4 es 1,1 g/mL ¿Qué masa de agua y de azul de vitriolo, CuSO4.5H2O , serán necesarios para preparar 1,5 L de solución que contiene 20% en masa de sal anhidra?

Respuesta: 1 133,8 g H2O; 516,2 g CuSO4. 5H2O

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AUTOEVALUACIONAUTOEVALUACION

1. En 400 g de agua caliente están disueltos 210 g de NH4Cl ¿Qué masa de NH4Cl(s) se depositará de la solución al enfriarla hasta 50 ºC, si la solubilidad de NH4Cl a esta temperatura es igual a 50 g en 100 g de agua?

A) 30 g B) 20 g C) 10 g D) 15 g E) 25g

2. Supóngase que se tiene una muestra de 80 g de KNO3 contaminada con 10 g de NaCl, luego se disuelve la mezcla en 100 g de agua a 50 ºC y entonces la solución se enfría hasta 0 ºC. A esta temperatura las solubilidades de KNO3 y del NaCl son 12,1g/100g de H2O y 34,2 g/100g de H2O, respectivamente.

Colocar verdadero (V) o falso (F) para dicha operación:

I. Mediante la operación se puede purificar el KNO3

II. Se cristaliza 14,2 y de NaClIII. Se cristaliza 67,9 g de KNO3

IV. La solución final esta saturada de KNO3

A) FFVV B) VFVV C) VFVF D) VFFV E) FFVF

3. Si se cuenta con 800 mL de alcohol etílico al 30% en volumen y se desea aumentar a 35 % ¿Qué volumen en mL de alcohol puro habrá que aumentar?. Considerar volúmenes aditivos.

A) 45,6 B) 72,8 C) 60,2 D) 82,5 E) 61,5 4. ¿Qué masa en gramos de hidróxido de sodio, NaOH, será necesario para

preparar 500 mL de solución 0,8 N?

A) 9 g B) 18 g C) 20 g D) 16 g E) 10 g 5. ¿Cuál es la molaridad de una solución de ácido clorhídrico al 36 % en masa

de HCl y con una densidad de 1,18 g/mL?

A) 11,6 M B) 12,4 M C) 10,5 M D) 9,8 M E) 8,6 M

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6. Se desea preparar 1 litro de solución 0,8 N de CuSO4 . En el almacén no hay CuSO4 anhidro pero sí CuSO4.5H2O. ¿Cuántos gramos de la sal hidratada son necesarios?

A) 76,5 B) 99,8 C) 90,8 D) 68,5 E) 49,8

7. ¿Cual es la molalidad de una solución al 15% en masa de H2SO4 cuya densidad es 1,1 g/ mL?

A) 2,5 m B) 1,5 m C) 1,8 m D) 1,4 m E) 1,2 m

8. La densidad de una solución al 40 % en masa de HNO3 es 1,25 g/mL ¿Cuál es la fracción molar del HNO3?

A) 0,12 B) 0,16 C) 0,28 D) 0,62 E) 0,36

9. Indicar verdadero (V) o falso (F) a las proposiciones siguientes:

I. Las soluciones saturadas son inestables.II. Todas las aleaciones son soluciones sólidas III. La solubilidad de algunos compuestos iónicos disminuye al aumentar la

temperatura.IV. La molaridad y la molalidad no varían al cambiar la temperatura.

A) FFFV B) VVVF C) VFVF D) FFVF E) FVVF

10. Identifique la relación correcta:A) Composición y propiedades uniformes ( ) SuspensiónB) Es independiente la temperatura ( ) NormalidadC) Propiedad física, intensiva ( ) Volumen D) Concentración de la solución saturada ( ) SolubilidadE) Dispersa la luz en muchas direcciones ( ) Solución

11. ¿Cuántos gramos de Na2SO4.10H2O se deben disolver en 800 mL de agua para obtener una solución al 10 % en masa de Na2SO4?

A) 260 B) 235 C) 270 D) 180 E) 310

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12. ¿Cuál es la molaridad de la solución que resulta de mezclar 10 mL de solución al 98 % en masa de H2SO4 de densidad 1,8 g/mL con 490 mL de otra solución de H2SO4 3M?

A) 2,8M B) 6,6M C) 3,3M D) 4,5M E) 2M

13. ¿Qué volúmenes, en mL, de NaOH 6 M y 2 N se deben mezclar para obtener 500 ml de solución 3 M?

A) 120 ; 380 B) 200 ; 300 C) 125 ; 375 D) 140 ; 360 E) 100 ; 400

14. ¿Qué volumen, en mL, de agua destilada habría que añadir a 250 mL de solución de CuSO4 5 M, para obtener una nueva solución de concentración 4 N?

A) 200 B) 375 C) 350 D) 310 E) 180

15. Se hace reaccionar 65,4 g de zinc con 600 mL de HCl 4 M. ¿Cuántos litros de hidrógeno, medido a condiciones normales, se obtendrán? Considere un rendimiento de la reacción de 70 %

A) 15,7 B) 16,8 C) 22,4 D) 11,2 E) 16,5

16. ¿Qué masa en gramos de MnO2 con 10 % de impurezas será necesario para que reaccione completamente con 500 mL de solución de HCl 3 N?

HCl(ac) + MnO2(s) → MnCl2(ac) + Cl2(g) + H2O(l)

A) 32,62 B) 36,25 C) 38,32 D) 40,52 E) 35,8

17. Para la reacción del zinc con el ácido clorhídrico, ¿Cuántos mL de HCl 1,8 M será necesario para obtener 4 L de hidrógeno a 760 mm de Hg y 20 °C?. Considere una cantidad suficiente de zinc y un rendimiento del proceso de 85%.

A) 290 B) 180 C) 217 D) 230 E) 260

18. ¿Cuántos mL de una solución al 15% de masa de H2SO4 (ρ = 1,1g/mL) serán necesarios para reaccionar totalmente con 12,15 g de Magnesio?

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: Mg = 24,3 ; H = 1; S = 32 ; O = 16

A) 285 B) 400 C) 300 D) 297 E) 280

19. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:

I. La solubilidad de los gases aumenta al disminuir la temperaturaII. La diálisis es una operación que permite eliminar el exceso de

partículas de una mezcla coloidal.III. El movimiento browniano permite mantener una distribución uniforme

de las partículas coloidales.IV. Las proteínas forman con el agua coloides hidrofóbicos.

A) VFFV B) FFVV C) FVVF D) VVVF E) VVFF

20. Encontrar la relación adecuada:

I. Coloide A. Mantequilla II. Gel B. Efecto Tyndall III. Emulsión C. Acero IV. Sol sólido D. Mayonesa

A) IB; IIC; IIIA; IVD B) IB; IIA; IIID, IVC C) IB; IIC; IIID; IVA D) IA; IIB; IIIC; IVD E) ID; IIB; IIIC; IVA

CLAVE

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1. C 2. B 3. C 4. D 5. A 6. B 7. C 8. B 9. D 10. D 11. B 12. C 13. C 14. B 15. A 16. B 17. C 18. D 19. D 20. B

BIBLIOGRAFÍABIBLIOGRAFÍA

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5. Propiedades de las soluciones, YU. FIALKOV,. 1985; 10-11 y 98-105

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