Propiedades físicas de las disoluciones

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA DE ALIMETOS QUÍMICA GENERAL QUÍMICO LANDER PÉREZ MSc. Semestre Sep. 2013 – Feb. 2014

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Trata acerca de toos los tipos de disoluciones, ademas de las propiedades coligativas de estas.

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA DE ALIMETOS

QUÍMICA GENERAL

QUÍMICO LANDER PÉREZ MSc.

Semestre Sep. 2013 – Feb. 2014

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS DISOLUCIONES

La mayor parte de las reacciones químicas ocurren, no entre sólidos; líquidos o gases puros, sino entre iones y moléculas disueltos en agua o en otros disolventes.

Si una sustancia se disuelve en agua u otro disolvente, entonces se forma una disolución completamente homogénea que tiene en todas sus partes las mismas propiedades químicas y físicas. Las disoluciones en cuanto a sus propiedades parecen compuestos químicos. El proceso de disolución siempre va acompañado de la absorción o desprendimiento de calor y la variación de volumen.

El estudio de las disoluciones permitió establecer en muchos de ellas la presencia de los llamados solvatos, es decir, compuestos inestables de los iones o moléculas de los solutos con las moléculas de los disolventes.

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS DISOLUCIONES

Las disoluciones son mezclas homogéneas en la cual intervienen el soluto (sustancia) y el disolvente, las mismas que pueden estar en estado líquido, sólido o gaseoso; en donde sus componentes son partículas, átomos y moléculas; de tal manera que el soluto se encuentra en menor cantidad que el disolvente.

Son mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación, en las que las sustancias componentes están entremezcladas a nivel molecular o iónico.

Ejemplo: El aire de la atmósfera o el agua del mar son ejemplos de disoluciones.

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS DISOLUCIONES

Cuando se prepara una disolución mezclando dos sustancias en diferentes fases o estados de agregación, la sustancia que esta en la misma fase que la disolución resultante se denomina disolvente y la que se disuelve en aquella se denomina soluto.

Si las dos sustancias están en la misma fase, se considera como el solvente al componente presente en mayor cantidad.

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS DISOLUCIONES

En efecto hay muchas razones para utilizar disoluciones líquidas de sustancias en lugar de las propias sustancias en estado puro, así:

• En solución las moléculas o iones de soluto se separan y comportan como partículas independientes.

• En las soluciones líquidas, las moléculas o iones de soluto poseen mayor libertad para moverse y difundirse a través del volumen total del disolvente, permitiendo que reactivos se mezclen más rápidamente en solución.

• Se demora menos medir cierto volumen, que medir cierto peso.

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TIPOS DE DISOLUCIONES

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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS DISOLUCIONES

En disoluciones acuosas, los compuestos de los iones y moléculas de sustancias disueltas con las moléculas de agua se denominan hidratos.

Cuando ciertas sustancias cristalizan a partir de las disoluciones acuosas, el agua forma con las moléculas de la sustancia compuestos estables llamados hidratos de cristales. Por ejemplo; las moléculas de sulfato de cobre forman con las del agua el CuSO4.5H2O. El agua que forma parte del hidrato del cristal se denomina agua de cristalización.

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SOLUBILIDAD

• La solubilidad de una sustancia en agua, es la cantidad de gramos de soluto que se disuelve en 100 gramos de esta a una temperatura específica.

• Ciertos solutos son muy solubles en el agua, por lo que se pueden preparar soluciones concentradas de estos solutos.

• Otros solutos son ligeramente solubles en el agua y algunos son tan débilmente solubles que se denominan insolubles.

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SOLUBILIDAD

En las interacciones químicas las sustancias reaccionan en proporciones estrictamente equivalentes. Tales proporciones no se observan entre la sustancia disuelta y el disolvente, pero cada sustancia se caracteriza por una solubilidad bien determinada en un disolvente dado (en determinadas condiciones).

La dependencia entre la solubilidad de las sustancias y la temperatura se expresa gráficamente: Por ello, sobre el eje de las abscisas se pone el valor de la temperatura y sobre el eje de las ordenadas, el contenido de la sustancia en la disolución, expresada en gramos. Al unir en el sistema de coordenadas, los puntos que corresponden a la solubilidad de las sustancias a determinadas temperaturas, se observa la curva que expresa la solubilidad de dicha sustancia en función de la temperatura.

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Fig. 1. Dependencia de la solubilidad de algunos compuestos iónicos en el agua.

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CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES

• La disolución que contiene la máxima cantidad de sustancia que puede ser disuelta en una cantidad dada de disolvente a una temperatura determinada (formando una disolución estable) se denomina saturada. Si se introducen nuevas cantidades de sustancia en tal disolución, su concentración no varía; la fase sólida y líquida se encuentra en equilibrio.

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CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES

• Toda disolución que contenga menor cantidad de sustancia disuelta que la correspondiente a la disolución saturada, es una disolución no saturada. Al introducir en ella cantidades adicionales de sustancia, su disolución prosigue y la concentración de la disolución aumenta.

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CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES

• Las disoluciones en las cuales la concentración de la sustancia disuelta supera la solubilidad de esta sustancia a una temperatura dada, en una determinada cantidad de disolvente, se denominan sobresaturadas. Al introducir cristales (cebo) en una disolución sobresaturada, el exceso de sustancia disuelta enseguida se cristaliza y precipita desde la disolución.

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CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES

Las disoluciones que contienen pequeñas cantidades de sustancia disuelta y cuya concentración se diferencia mucho de las disoluciones saturadas, se denominan diluidas.

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CLASIFICACIÓN DE LAS DISOLUCIONES

• Las disoluciones que contienen grandes cantidades de sustancia disuelta y cuya concentración se aproxima a la de la disolución saturada, se denominan concentradas.

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Fig.2 : Cuando se siembra un pequeño cristal a una disolución sobresaturada de acetato de sodio (izquierda), se forman rápidamente cristales de acetato de sodio.

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Concentración de las disoluciones

• Las propiedades de una disolución depende de la naturaleza de sus componentes y también de la proporción en que estos participan en la formación de la disolución.

• Es la cantidad de soluto disuelto en una cantidad de disolvente o disolución.

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FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

• Existen diferentes formas de expresar la concentración de una disolución.

• Las que se emplean con mayor frecuencia establecen una comparación entre la cantidad de soluto con la cantidad total de disolución ya sea en términos de:

• Masa/masa; masa / volumen o Volumen/volumen

g soluto/g disolución; g soluto/ V disolvente ; V soluto / V disolvente

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FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN

• Porcentaje en peso (%p/p)• Porcentaje en volumen (%v/v)• Gramos de soluto por litro de disolución (g/l)• Molaridad (M)• Normalidad (N)• Fracción Molar (xi)

• Molalidad (m)• Partes por millón (ppm)

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SOLUBILIDAD DE LOS GASES Y LA TEMPERATURA

• La solubilidad de los gases en agua por lo general disminuye al aumentar la temperatura

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SOLUBILIDAD DE LOS GASES Y LA TEMPERATURA

Fig. Dependencia de la solubilidad del O2 gaseoso en agua con respecto a la temperatura.

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SOLUBILIDAD DE LOS GASES Y LA TEMPERATURA

• La disminución de la solubilidad del O2 molecular en agua caliente tiene una relación directa con la contaminación térmica

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EFECTO DE LA PRESIÓN EN LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES

• La presión externa afecta enormemente la solubilidad de los gases.

• La relación cuantitativa entre la solubilidad de los gases y la presión esta dada por la Ley de Henry, la cual establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre la disolución.

C = kP gas

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La ley de Henry se entiende cualitativamente en términos de la teoría cinético molecular. La cantidad de un gas que se disolverá en un disolvente depende de la frecuencia de colisiones de las moléculas del gas contra la superficie del líquido y que queden atrapadas en la fase condensada

EFECTO DE LA PRESIÓN EN LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES

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EFECTO DE LA PRESIÓN EN LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES

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Fig. Demostración práctica Ley de Henry. Efervescencia que se produce cuando se abre una botella de bebida gaseosa.

EFECTO DE LA PRESIÓN EN LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES

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PROPIEDADES COLIGATIVAS DE DISOLUCIONES DE NO ELECTROLITOS

Las propiedades coligativas o propiedades colectivas, son propiedades que dependen solo del número de partículas del soluto en la disolución y no de la naturaleza de las partículas del soluto.

Estas son:

1. Disminución de la Presión de Vapor.

2. Elevación del Punto de Ebullición.

3. Disminución del Punto de Congelación.

4. Presión Osmótica.

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1. DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR

Si un soluto es no volátil, la presión de vapor de sus disoluciones siempre es menor que la del disolvente puro. Así, la relación entre la presión de vapor de la disolución y la presión de vapor del disolvente puro depende de la concentración del soluto en la disolución.

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• Ley de Raoult: La presión parcial de un disolvente en una disolución, P1, esta dada por la presión de vapor del disolvente puro, Pº1, multiplicado por la fracción molar del disolvente en la disolución, X1 :

P1 = X1. Pº1

P=X2.Pº1

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR

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• La evaporación aumenta el desorden de un sistema porque las moléculas en el vapor no están muy cercanas y por lo tanto tienen menos orden que un líquido.

• En una disolución hay más desorden que en un disolvente puro, la diferencia en el desorden entre una disolución y su vapor es menor que la que hay entre un disolvente puro y su vapor.

• Las moléculas del disolvente tienen menor tendencia a abandonar la disolución que a abandonar el disolvente puro, para convertirse en vapor, y la presión de vapor de una disolución es menor que la del disolvente.

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR

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DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR

• Si los dos componentes de una disolución son volátiles, la presión de vapor de la disolución es la suma de las presiones parciales individuales. La Ley de Raoult también se cumple en este caso.

PA = XA PºA

PB = XB. PºB

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EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR. SOLUCIONES IDEALES

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DESTILACIÓN FRACCIONADA

• La presión de vapor de una disolución tienen relación directa con la destilación fraccionada, procedimiento de separación de los componentes líquidos de una disolución que se basa en la diferencia de sus puntos de ebullición.

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Destilación fraccionada para la separación de líquidos volátiles de los que no lo son.

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DESTILACIÓN FRACCIONADA

• Aparato para destilación fraccionada a pequeña escala (Columna de fraccionamiento)

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2. ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

El punto de ebullición de una disolución es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala a presión atmosférica externa. Debido a que la presencia de un soluto no volátil disminuye la presión de vapor de una disolución, también debe afectar el punto de ebullición de la misma.

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ELEVACIÓN DEL PUNTO DE

EBULLICIÓN

Diagrama de fases del agua y los cambios que ocurren en una disolución acuosa, en donde el punto de ebullición de la disolución es mayor que la del agua.

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ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

La elevación del punto de ebullición, se define como el punto de ebullición de la disolución menos el punto de ebullición del disolvente puro.

Tb = Tb – Tºb

Tb = Kb.m

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DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

Diagrama de fases del agua y los cambios que ocurren en una disolución acuosa

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3. DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

La disminución del punto de congelación se define como la diferencia entre el punto de congelación del disolvente puro y el punto de congelación de la disolución.

Tf = Tºf – Tf

Tf = Kf.m

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DISMINUCIÓN DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

La congelación implica la transición de un estado desordenado a un estado ordenado, para lo cual el sistema debe liberar energía. Debido a que en una disolución existe mayor desorden que en el disolvente, es necesario que libere más energía para generar orden que en el caso de un disolvente puro. Por lo tanto la disolución tiene menor punto de congelación que el disolvente.

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OSMÓSIS

Muchos procesos químicos y biológicos dependen de la osmosis, el paso selectivo de moléculas del disolvente a través de una membrana porosa desde una disolución diluida hacia una de mayor concentración.

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PRESIÓN OSMÓTICA

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La presión osmótica de una disolución es la presión que se requiere para detener la ósmosis.

La presión osmótica de una disolución esta dada por:

PRESIÓN OSMÓTICA

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• Si dos disoluciones tienen la misma concentración, y por lo tanto la misma presión osmótica, se dice que son isotónicas.

• Si dos disoluciones tienen diferente presión osmótica, se dice que la disolución de mayor concentración es hipertónica y la disolución más diluida se describe como hipotónica.

PRESIÓN OSMÓTICA