QUÍMICA GENERAL

4. DISOLUCIONES Y SUS PROPIEDADES 4.1 Solución saturada, sobresaturada, electrolitos, no electrolitos formas de expresar la concentración. 4.2 Proceso de disolución, factores que afectan la solubilidad. 4.3 Propiedades coligativas.

Disoluciones Disolución: mezcla homogénea de dos o más sustancias. Aunque el medio que disuelve –disolvente- (que define el estado físico de la disolución) puede ser gaseoso (gas en gas) o incluso sólido, se estudiarán aquí las disoluciones en medio líquido. En una disolución no interesa el estado físico de origen del soluto (sustancia que se disuelve en el disolvente): CO2(g) , etanol, NaCl, o azúcar en agua

Disoluciones Insaturadas: admiten más soluto Saturadas: no admiten más soluto Sobresaturadas: situación inestable, contienen más soluto que el de saturación.

Electrolitos y no electrolitos Electrolito: sustancia que, al disolverse en agua, forma una disolución que conduce la electricidad. El grado de conducción depende del grado de disociación iónica de la sustancia. Figura: a: no electrolito; b: electrolito débil; electrolito fuerte

Electrolitos y no electrolitos. Ejemplos de solutos en disolución acuosa Plantee la disociación iónica de los electrolitos fuertes ( ) y débiles ( ); tenga en cuenta el papel del agua.

Concentración y formas de expresión Concentración de una disolución: cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de disolución. Máxima concentración que admite un solvente de un soluto = SOLUBILIDAD MOLARIDAD (concentración molar): número (cantidad) de mol de soluto por litro de disolución. Debe recordarse que 1 mol de X : 1 cantidad de gramos = P.F. de una sustancia; de H2O = 18 g, de NH3 = 17 g, de SH2 = 34 g, etc. de H2 SO4 = 98 g, etc.

Concentración y formas de expresión Molaridad: Una disolución, p. ej. 2,5 M se prepara 1º pesando 2,5 mol de la sustancia (2,5*PF), llevándola a un frasco volumétrico y 2º completando con agua el volumen hasta 1 litro.

Concentración y formas de expresión MOLALIDAD (concentración molal): número (cantidad) de mol de soluto por 1 kg de disolvente. Quiere decir que una disolución, p. ej. 2,5 m se prepara 1º pesando 2,5 mol de la sustancia (2,5*PF), llevándola a un frasco cualquiera y 2º añadiendo 1 Kg de agua (1 litro a 4ªC). Como puede observarse el volumen total no tiene que ser exactamente igual a 1 litro.

Concentración y formas de expresión % en Peso/Volumen (%P/V): peso de soluto por 100 ml de disolución. Quiere decir que una disolución, p. ej. al 2,5 % (p/V) se prepara: 1º pesando la cantidad de soluto que corresponde a 100 ml de disolución (2,5 g) 2º añadiendo el volumen de agua que alcance el volumen total de 100 ml de disolución. [Evidentemente se pueden tomar cantidades proporcionales: 25 g y volumen total de 1000 ml disoln. Se concluye que es igual que preparar una disolución molar, pero calculando el peso (utilizando el valor del peso fórmula) en gramos correspondiente a los 100 (no 1000) ml de disolución. Es decir : [% p/V] = 0,1 M*PF

Concentración y formas de expresión % en Peso/Peso (%P/V): peso de soluto por 100 g de disolución. [NO TIENE UNIDADES]: % (p/p) = msoluto . X 100 (msoluto + msolvente) Como (msoluto + msolvente) = mdisolución y mdisolución = ρ * Vdisolución [ρ = m/V] (msoluto + msolvente) = ρ * Vdisolución ; de aquí que % (p/p) = msoluto . X 100 = %(p/V)*(1/ ρ) ρ * Vdisolución o sea: %(p/V) = ρ* % (p/p)

Concentración y formas de expresión Fracción molar: Si se tienen msoluto y msolv. y sus pesos fórmula Msoluto y Msolv. Se pueden calcular las cantidades de moles nsoluto y nsolv Llamemos A: solvente y B soluto ; entonces Fracción molar del solvente XA = nA . nA + nB Fracción molar del soluto XB = nB . nA + nB Puede comprobarse que XA + XB = 1 ( o sea XA y XB son números fraccionarios) Las fracciones molares no tienen unidades

Concentración y formas de expresión Complete la siguiente tabla, sabiendo que la densidad de la disolución es de 1,2 g/cm3 y que el peso fórmula del es igual a 60 (se supone agua como solvente).

Dilución de disoluciones Describa cómo prepararía las siguientes disoluciones: . 2 litros de 1,5 M a partir de una 3 M . 30 litros de 0,2 M a partir de una 2 M Dilución: procedimiento para preparar una disolución menos concentrada a partir de una más concentrada. (V1*M1) = # moles de soluto; M2 = (V1*M1)/ V2

Proceso de solubilización disolver Soluto + disolvente disolución cristalizar EQUILIBRIO DINÁMICO

Disoluciones Las sustancias disueltas (solutos) interactúan con el disolvente [ión-dipolo, dipolo dipolo, puentes de hidrógeno]. Ejemplo de puente de hidrógeno: etanol -- agua en bebidas alcohólicas

Disoluciones Otro ejemplo de interacción soluto-solvente (agua) mediante puentes de hidrógeno es el da la disolución de glucosa en agua.

Efecto de la temperatura en la solubilidad Se recordará que Máxima concentración que admite un solvente de un soluto = SOLUBILIDAD. La solubilidad de los sólidos generalmente se incrementa con la temperatura. Se observa que el Na2SO4 y el Ce2(SO4)3 la disminuyen. No existe una correlación clara entre esta dependencia y el calor de disolución.

Propiedades coligativas de las disoluciones En la lucha contra la nieve …

Propiedades coligativas una disolución puede ayudar.

Propiedades coligativas El cuerpo líquido solvente El cuerpo líquido disolución Presentan propiedades diferentes que dependen de la cantidad y no del tipo de soluto. Coligativo: “depende de la colección”

Ley de (Francoise Marie) Raoult (1830-1901) La presión parcial ejercida por el vapor del disolvente sobre una disolución PA, es igual al producto de la fracción molar del disolvente en la disolución XA por la presión de vapor del disolvente puro P 0A : PA = XA P 0A De aquí que: “al aumentar la fracción molar de las partículas de un soluto no volátil, la presión parcial sobre una disolución disminuye”.

Ley de Raoult Ejemplo: A 20°C se disuelven 38 g de glucosa (C6H12O6) en 180 g de agua. Si a esta temperatura la presión de vapor del agua es PAgua=17.5 torr; calcule la presión de vapor de esta disolución. Pfglucosa = 190 , por lo que se disolvieron 0.2 moles de glucosa Pfagua = 18 , por lo que se disolvieron en 10 moles de agua. de aquí que XGlucosa = 0.2 / (0.2+10) ≈ 0.02 y Xagua ≈ 0.98 Como PA = XA P 0A = 0.98 * 17.5 = 17.2 torr Es decir, la presión de vapor de esta disolución es el 98% de la del solvente (agua) a esta temperatura.

Elevación del punto de ebullición Recordatorio: Un líquido hierve (ebulle) cuando su presión de vapor es igual a la presión externa que actúa sobre la superficie del líquido (se forman burbujas de vapor en el interior del líquido). Punto de ebullición: Presión exterior = 1 atm Si la disolución tiene menor presión de vapor a una temperatura dada, se entiende que alcanzará la atmosférica a una mayor temperatura. El punto de ebullición de la disolución es mayor que el del líquido puro. La sopa hierve a más de 100°C

Elevación del punto de ebullición Se verifica que: “El incremento en el punto de ebullición respecto al del solvente puro es directamente proporcional al número de partículas de soluto por mol de moléculas de disolvente” Δ Tb  nB / nA  MA nB / mA Se llega entonces a que: Δ Tb = Kb m Kb : constante molal de elevación del punto de ebullición (depende sólo del disolvente; incluye su peso molecular)

Elevación del punto de ebullición El “anticongelante” para automóviles es una mezcla (“disolución”) de etilenglicol (CH2OH CH2OH); ej. 25% de este. Como Kb agua = 0.51 °C/m y al 25% la concentración de C2H6O2 equivale a 5.37 m, Δ Tb = 2.7°C El punto de ebullición sería de 102.7ºC (esta función sería “antiebullente”

Disminución del punto de fusión De modo semejante a lo ya visto: Δ Tf = Kf m Kf : constante molal de disminución del punto de fusión (también depende sólo del disolvente) Para el agua Kf [°C/m] = 1.86 De aquí que, la mezcla ya vista de etilenglicol al 25% (5.37 m) se congela a: Δ Tf = 1.86 * 5.37 = 10°C menos que el agua, o sea, a -10°C. Se entiende entonces que el agua del radiador no se congelaría hasta -10°C ; de aquí el nombre de “anticongelante” de aplicación importante en los países muy fríos.

Al añadir sal a la nieve: Al añadir sal al hielo (nieve), el calor pasa de la sal al hielo y éste empieza a fundirse, disolviéndose la sal en el agua formada. El hielo al fundirse absorbe calor de la disolución. Al perder esta energía la disolución saturada se enfría y su temperatura va descendiendo por debajo de 0 ºC. En contacto con la disolución el paso de sólido a líquido se da a menor T.

Al añadir sal a la nieve: Finalmente se alcanza el equilibrio entre el hielo, la sustancia sólida (“soluto”) en exceso y la disolución saturada. Cada mezcla frigorífica alcanza una temperatura mínima determinada.

Disminución del punto de fusión Ejemplo de mezclas frigoríficas: Nieve / sal 2:1 -20.5°C Nieve/CaCl2 2:1 -55.5°C

Ejemplo natural de propiedad coligativa A temperaturas bajas, las células de las plantas forman cristales de hielo, que la destruyen, provocando la salida de agua y generando deshidratación en la planta. Un grupo de científicos canadienses descubrió una enzima en una planta de centeno, que se activa en el frío del invierno, otorgándole a la planta capacidad anticongelante.

Ejemplo natural de propiedad coligativa En los animales, lo habitual es que la sangre y otros fluidos se congelen; que los cristales de hielo rompan las membranas celulares y que las células se deshidraten, entre otros efectos. El 'Trematomus hansoni' que habita en el Océano Antártico crea su propio 'anticongelante' fabricando proteínas (glicoproteínas, con moléculas de azúcar) para impedir la nucleación del hielo que da lugar a la congelación.

ÓSMOSIS: otra propiedad coligativa Si dos partes de un sistema se encuentran con diferente presión de vapor (ej. una de ellas es una disolución), el solvente (vapor) pasará del de mayor al de menor presión para tratar de igualarlas.

ÓSMOSIS: otra propiedad coligativa Lo anterior provoca la ÓSMOSIS: paso selectivo de moléculas del disolvente a través de una membrana porosa (“semipermeable”) desde una disolución diluida hacia una de mayor concentración. Presión osmótica (π): necesaria para detener la ósmosis Π = M R T (M: molaridad; R: cte. Gases; T: ºK)

ÓSMOSIS: otra propiedad coligativa La ósmosis se da a través de la membrana semipermeable de un glóbulo rojo. Se ve afectada por la concentración salina en el fluido sanguíneo.