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Guía de apoyo n°3 q2 m 2013 disoluciones químicas y propiedades coligativas

  1. 1. Departamento de Ciencias y Tecnología Subsector: Química Profesor: Carlos Donoso E. Nivel: 2° año Medio Año: MMXIII Guía de Apoyo nº3: Disoluciones químicas y propiedades coligativas Objetivos: 1.- Clasificar la materia en sustancias puras (elementos y compuestos) y en mezclas (homogéneas y heterogéneas) 2.- Comprender el concepto de disolución para valorar sus propiedades y utilidad 3.- Determinar la concentración de diferentes disoluciones 4.- Valorar la importancia de las propiedades coligativas de las disoluciones para la comprensión de fenómenos comunes asociados a dichas propiedades. 5.- Valorar el conocimiento científico en la comprensión de fenómenos de la vida diaria. Entre las muchas características que presenta la materia está su diferenciaciónentre mezcla y sustancia pura. Entre estas últimas es necesario distinguir entreelementos y compuestos.Mezcla: Es una sustancia formada por la unión de dos o más sustancias que noreaccionan entre sí. Por lo tanto, corresponde a una unión física y podrá separarsemediante procesos físicos. La composición de una mezcla tanto como sus propiedadesson variables.Fase: Cada una de las partes físicamente distinguibles de una mezcla. Las mezclas pueden clasificarse en homogéneas y heterogéneas:Mezclas homogéneas son aquellas en las que no se distinguen los componentes que lasforman. Es decir, se observa una sola faseMezclas heterogéneas son aquellas en las que es posible observar los distintoscompuestos que las constituyen. Es decir, se observa cada fase constituyente.Sustancia pura es aquella que no puede separarse en otras más simples medianteprocesos físicos y cuya composición y propiedades son constantes. Las sustancias purasse clasifican en elementos y compuestos.
  2. 2. 2Los elementos no pueden descomponerse en otras sustancias puras más simplesmediante procesos químicos. Es el caso del oxígeno, el cobre, la plata, etc.Los compuestos son sustancias puras que pueden descomponerse en otras más simplesmediante procesos químicos. Por ejemplo, el agua, el cloruro de sodio, el dióxido decarbono, etc.Propiedades físicas y químicas, extensivas e intensivas Cualquier sustancia se caracteriza y diferencia de las demás por tener unaspropiedades físicas y químicas concretas que pueden variar al modificarse lascondiciones de presión y temperatura.Las propiedades físicas son aquellas que presenta la materia sin cambiar sucomposición, como pueden ser la dureza, la solubilidad, el color, el olor o el punto defusión o ebullición.Las propiedades químicas se refieren a las que presenta la materia cuando cambia sucomposición, es decir, las reacciones químicas que experimenta, como pueden ser lacombustión o la reacción con los ácidos.Las propiedades de la materia pueden depender o no de la cantidad de sustancia que seestudia, de manera que deben distinguirse las propiedades extensivas y las extensivas.Propiedades extensivas son aquellas que dependen de la cantidad de materia presente,como el volumen y la energía interna. Por ejemplo, la energía interna es la suma de lasenergías cinética y potencial de cada partícula, por lo tanto será mayor si aumenta elnúmero de ellasPropiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de materiapresente. Es el caso del punto de fusión, la densidad y todas las propiedades químicas.Así por ejemplo, el punto de fusión del hielo es de 0°C, independientemente de que setrate de un cubito de hielo o de u enorme iceberg.Mezclas homogéneas En una mezcla homogénea se presentan dos tipos de fases: la fase dispersante y lafase dispersa.La fase dispersa corresponde a la sustancia o sustancias que están en menorproporción en la mezcla homogénea.La fase dipersante corresponde a la sustancia en la que la fase dispersa estádistribuida homogéneamente. Las mezclas homogéneas se pueden clasificar según el tamaño de su fase dispersacomo lo muestra la siguiente tabla
  3. 3. 3 Tamaño de las Característica Denominación Ejemplos partículas dispersas Visibles al Ciertos precipitados o microscopio en agua, glóbulos Suspensiones >10-5 cm (103 A ) rojos en la sangre, polvo en suspensión Suspensiones Visibles al Entre 10-5 y 10-7 cm Niebla, leche coloidales o coloides ultramicroscopio o Interposición Alcohol en agua,Soluciones verdaderas < 10-7 cm (10 A ) molecular azúcar en aguaDisoluciones verdaderas, Disoluciones o Soluciones Centraremos nuestra atención en este tipo de mezclas homogéneas. En ellas, lafase dispersante se denomina solvente y la fase dispersa, soluto.Unidades de concentración Corresponde a la relación entre la cantidad de soluto presente, respecto de lacantidad de solvente o de la cantidad de solución. Esta relación se expresa a manerade cuociente.Las unidades de concentración se clasifican en dos categorías: las físicas y las químicasDentro de las unidades físicas encontramos:a) El % peso/peso o %p/pb) El % peso/volumen o %p/v yc) El % volumen/volumen o %v/v.Dentro de las unidades químicas encontramos:a) La molaridad (M)b) La molalidad (m)c) La fracción molar ( o f)d) Las partes por millón (ppm)e) La Normalidad (N)Unidades de concentración físicas1.- Porcentaje peso/peso o masa/masa (%p/p o %m/m): Es la cantidad, en gramos, desoluto que está disuelto en 100 g de solución.Podemos expresarlo de la siguiente manera: msoluto %p / p   100 msolución2.- Porcentaje peso/volumen o masa/volumen (%p/v o %m/v): Es la cantidad, engramos, de soluto que está disuelto en 100 c.c. (ml) de solución.Podemos expresarlo de la siguiente manera:
  4. 4. 4 msoluto %p / v   100 vsolución (ml)3.- Porcentaje volumen/volumen (%v/v): Es el volumen, en c.c. o ml, de soluto que estádisuelto en 100 c.c. (ml) de solución.Podemos expresarlo de la siguiente manera: vsoluto (ml) %v / v   100 vsolución (ml)La densidad Las unidades físicas están asociadas a dos propiedades muy conocidas pornosotros: la masa y el volumen. Por lo tanto, para poder hacer transformaciones entreuna unidad y otra, recurriremos al concepto de densidad.La densidad se define como el cuociente entre la masa (expresada en gramos) y elvolumen (expresado en c.c. o ml). Es decir, masa densidad  volumen mO también, d VMoles de una sustancia Es una relación proporcional entre la masa de una sustancia (expresado engramos) y su equivalencia en moles. Podemos calcular los moles que representa ciertamasa de sustancia, haciendo la siguiente relación:m representa la masa de la sustancia; n corresponde a los moles y M representa la masamolar o Peso Molecular de la sustancia. m n MUnidades de concentración químicas1.- Molaridad (M): Corresponde a la cantidad de moles de soluto que hay disueltos en 1litro de solución. Otra forma de definirlo es como un cuociente entre el número de molesde soluto y el volumen de solución expresado en unidades de litros. nsoluto Molaridad  Vsolución(L )2.- Molalidad (m): Corresponde a la cantidad de moles de soluto que hay disueltos en 1kilo de solvente. Otra forma de definirlo es como un cuociente entre el número de molesde soluto y la masa de solvente expresado en unidades de kilos.
  5. 5. 5 nsoluto Molalidad  msolvente(kg )3.- Fracción molar ( o X): Corresponde al cuociente que se establece entre los moles desoluto y los moles totales (es decir, la suma de los moles de soluto y solvente).Sea una solución formada por el soluto “a” y el solvente “b”. Entonces, la fracción molarde “a” y “b” se expresa de la siguiente forma na nb a  b  na  nb na  nbEs interesante notar que a  b  14.- Partes por millón (ppm): Corresponde a la relación entre la masa de soluto(expresado en milígramos) y el volumen de solución expresado en litros. Es decir, son losmiligramos de soluto que hay disueltos en 1 litro de solución. msoluto(mg ) ppm  Vsolución(L )5.- Normalidad (N): Se define como la cantidad de soluto, expresado en Equivalentes,presentes en 1 litro de solución o la cantidad de Equivalentes-gramo disueltos en unvolumen de solución, expresado en unidades de litros.Por otro lado, un equivalente (Eq) se define como el cuociente entre la masa de soluto ysu peso equivalente (PEq). A su vez, el peso equivalente, es un cuociente entre el pesomolecular del soluto y un factor numérico, f, asociado con las características de esesoluto, como por ejemplo: número de hidrógenos presentes en su fórmula molecular onúmero de grupos .OH, o si es un ion, la carga del mismo, o la cantidad de electrones que transfiere orecibe, si es que este soluto participa en una reacción de óxido-reducción, etc. Eq soluto Normalidad  Vsolución(L )Por otro lado msoluto Eq soluto  PEq soluto MsolutoFinalmente, PEq soluto  fcon f: factor numérico.
  6. 6. 6Usando un mapa conceptual, podemos decir queSolubilidad Se define como la cantidad de soluto que a una temperatura dada se disuelve enuna determinada cantidad de disolvente (o solvente)Soluciones insaturada, saturada y sobresaturada Se dice que una solución es saturada si contiene la cantidad de soluto quecorresponde a su solubilidad.Decimos que una solución es sobresaturada, si por algún procedimiento logramos quepermanezca disuelto más soluto que el que establece su solubilidad. Por ejemplo, alenfriar una disolución saturada, lentamente y mantenerla en reposo, podemos obteneruna solución sobresaturada. Esta situación es inestable, ya que basta el menormovimiento o agitación, para que precipite el exceso de soluto.En las soluciones llamadas no saturadas o insaturadas, la cantidad de soluto disueltoen menor a aquella correspondiente a la solubilidad de ese soluto.Tipos de disoluciones Si bien las disoluciones acuosas son las más comunes, están lejos de ser el únicotipo de disolución. Los disolventes pueden ser el agua o cualquier otro líquido. Lossolutos pueden ser sólidos, líquidos o gases. Los tipos más comunes de disoluciones sonun gas en un líquido, un líquido en un líquido y un sólido en un líquidoComo ejemplo, veamos la siguiente tabla.
  7. 7. 7 SOLUTO DISOLVENTE EJEMPLO Bebidas carbonatadas Gas Líquido (dióxido de carbono en disolución acuosa) Anticongelante en el Líquido Líquido radiador de un automóvil (etilenglicol en agua) Empastes dentales Líquido Sólido (mercurio en plata) Sólido Líquido Azúcar en agua Sólido Sólido Bronce (zinc en cobre)Factores que afectan la solubilidad y la velocidad de disoluciónNo todas las sustancias son solubles en las demás sustancias. Por ejemplo, el aceite y elagua son inmiscibles. El aceite no es soluble en agua. Algunos solutos son más difícilesde disolver que otros. Los factores que influyen en esta característica son:1.- Factores que afectan la solubilidad (¿cuánto?) real de un soluto en un disolvente2.- Factores que afectan la velocidad (¿con qué rapidez?) a la cual se disuelve un solutoen un disolventeLa solubilidad real de un soluto en un disolvente depende de tres factores: (1) Las propiedades del soluto y del disolvente. (2) La temperatura. (3) La presiónLa velocidad a la cual se disuelve un soluto en un disolvente depende de tres factores: (1) El tamaño de partícula del soluto. (2) La velocidad de agitación (3) La temperaturaPropiedades del soluto y del disolvente Un factor importante que se relaciona con la solubilidad que presenta un solutoen un disolvente determinado, se relaciona con sus características como compuesto.El tipo de enlace químico que presenta una sustancia estará, en general, en relacióndirecta con su capacidad de ser disuelto o de actuar como disolvente.El agua, es un compuesto polar; por lo tanto, disolverá sustancias que presenten dichacaracterística, como por ejemplo, las sales. Este tipo de compuesto presenta unionesquímicas del tipo iónico, por lo que sus átomos constituyentes presentan carga positiva onegativa, lo que favorecerá su disolución por parte del agua.El tetracloruro de carbono (CCl4), es un compuesto no polar, por lo tanto, no puededisolverse en agua. Este compuesto, al igual que el agua, presenta uniones de tipocovalente.La pregunta que surge aquí es, ¿por qué, si ambas sustancias presentan unionesquímicas del mismo tipo, una de ellas es polar y la otra no?La respuesta a esta crucial pregunta, está relacionada a la disposición espacial de esosenlaces. Es decir, la geometría de los compuestos covalentes se relacionará directamentecon su comportamiento como soluto y como disolvente.Una frase que se usa con frecuencia para determinar solubilidades, es la siguiente:
  8. 8. 8 Lo semejante disuelve a lo semejantePor lo tanto, los compuestos iónicos (polares) casi siempre son solubles en disolventespolares y los compuestos covalentes (no polares o débilmente polares) se disuelven endisolventes que no son polares.Temperatura La solubilidad de un gas en agua disminuye al aumentar la temperatura. Porejemplo, el oxígeno es soluble en agua en una proporción de 4.89 mL de oxígeno en 100mL de agua a 0ºC; pero a 50ºC esta solubilidad se reduce a 2.46 mL en 100 mL de agua.Por otro lado, la solubilidad de un sólido en un líquido, por lo general aumenta cuando latemperatura se incrementa. Sin embargo, en algunos sólidos disueltos la tendencia esopuesta.Presión Las disoluciones formadas sólo por líquidos y sólidos no se ven afectadas en formaapreciable por la presión. Sin embargo, las disoluciones de gases en líquido sí tiene unainfluencia apreciable de la presión.Tamaño de partícula Si se tiene una partícula más pequeña de soluto se tendráuna mayor superficie expuesta al disolvente, por lo tanto, lavelocidad de disolución será mayor que partículas más grandesdel mismo soluto.Ejemplo: Supongamos que tenemos una partícula cúbica formadapor ocho cubos de arista a.
  9. 9. 9 Esto significa que el cubo grande tendrá arista 2a. Por otro lado, el área del cubode arista l, es A = 6·l 2Por lo tanto, A  6  (2a)2  6  4a2  24a2En cambio, si separamos este cubo grande en los ocho cubos más pequeños que loforman, tendremos una situación bastante diferente.Ahora, cada cubo posee arista a y si calculamos el áreade uno de ellos, tendremos A  6  (a)2  6  a2  6a2Pero, esta vez tenemos ocho cubos iguales de área 6a 2,luego A Total  8  (6a2 )  48  a2Es decir, el área de los ocho cubos es el doble del área del cubo más grande.Velocidad de agitación La agitación también puede incrementar la velocidad de disolución. La agitaciónaumenta la velocidad del contacto entre las partículas de soluto no disueltas y lasmoléculas del disolvente que aún no se unen a las partículas del soluto. Por esoagitamos el café o el té una vez que le hemos añadido azúcar.Temperatura Suponiendo que una sustancia es soluble en otra, un incremento en latemperatura da como resultado un aumento en la velocidad de disolución. Este aumentode velocidad está relacionado con el incremento en la energía cinética del soluto, deldisolvente y de la disolución. Con una mayor energía cinética, las partículas del soluto seseparan con mayor facilidad unas de otras y las moléculas del disolvente puedeninteractuar con más frecuencia con las partículas del soluto. Por tanto, se incrementa lavelocidad de disolución.Dilución de soluciones Una práctica habitual en el laboratorio en la dilución de una solución de unaconcentración conocida. Esto se hace, simplemente agregando más disolvente a lasolución original, hasta que la concentración (que será menor) se alcance.Es importante recalcar que no hay cambio en la cantidad de soluto presente en ladisolución final, sino que el volumen de solución es, ahora, mayor.Desde este punto de vista, dado que el soluto no cambia en cantidad, luego de ladilución, los moles de ese soluto permanecen igual y sólo cambia la suma total, de solutoy solvente.
  10. 10. 10Por lo tanto, dado que la molaridad se define como nsoluto Molaridad  Vsolución(L )tendremos dos concentraciones molares: la inicial y aquella después de la dilución.Indiquemos dichas concentraciones como M1 y M2. Por otro lado, los volúmenes deambas soluciones son distintos: hay un volumen inicial y otro final (después de ladilución). Llamemos a estos volúmenes V1 y V2 (no olvidemos que se expresan en litros). En cada uno de estos casos, la cantidad de moles de soluto es la misma. Eso nospermite escribir nsoluto M1   nsoluto  M1  V1 V1 y nsoluto M2   nsoluto  M2  V2 V2Por lo tanto, M1  V1  M2  V2Propiedades coligativas de las disoluciones Las propiedades coligativas de las disoluciones son aquellas que dependen sólode la cantidad de partículas de soluto que están presentes en la disolución y no de lascaracterísticas químicas de ellas. Vamos a asumir que el soluto tiene una buenacapacidad de disolución en el solvente y que además se trata de un soluto no volátil.Existen cuatro propiedades coligativas. Ellas son:1.- Aumento del punto de ebullición2.- Disminución del punto de congelación3.- Disminución de la presión de vapor4.- Aumento de la Presión osmóticaAumento del punto de ebullición Sabemos que el punto de ebullición representa aquella temperatura en que lasustancia en estado líquido pasa a estado gaseoso. Esto ocurre cuando la presión devapor del líquido iguala la presión atmosférica.La presión de vapor de un líquido puro, corresponde a la presión que ejercen lasmoléculas gaseosas, de la sustancia, en equilibrio con sus moléculas líquidas a unadeterminada temperatura.Es decir, a medida que las moléculas de la superficie del líquido van pasando a estadogaseoso comienzan a ejercer presión en el espacio que queda dentro del recipiente.Podemos apreciar esto en el siguiente diagrama.
  11. 11. 11Al comparar el punto de ebullición de un líquido puro y del mismo líquido con un solutodisuelto en él, se aprecia una diferencia de temperatura. La temperatura de ebullición, esmás alta en la solución que en el disolvente puro. El alza de temperatura se relacionadirectamente con la concentración del soluto presente. Esto se puede expresarmatemáticamente como T  K e  mdonde ΔT es la diferencia de temperatura, entre la solución y el solvente puro; Ke,corresponde a la constante ebulloscópica y m, es la concentración del soluto en unidadesmolales.Disminución del punto de congelación Una situación similar se presenta con respecto al punto de congelación de lasolución respecto al solvente puro. En este caso, la solución presenta un punto decongelación más bajo que el solvente puro. Este comportamiento también está asociado ala concentración de soluto presente.Podemos expresarlo de una manera parecida a la anterior. T  Kc  mdonde ΔT es la diferencia de temperatura, entre la solución y el solvente puro; Kc,corresponde a la constante crioscópica y m, es la concentración del soluto en unidadesmolales.Disminución de la presión de vapor Otra de las variaciones que ocasiona agregar soluto a una solución, es queproduce un descenso en la presión de vapor de la solución comparada con el solventepuro.
  12. 12. 12La variación de la presión del vapor proveniente del líquido puro y del líquido que esparte de la solución, se puede expresar matemáticamente del siguiente modo P  soluto  Psolvente odonde Psolvente corresponde a la presión que ejerce el solvente cuando está puro. La opresión se puede expresar en milímetros de mercurio (mm de Hg) o en atmósferas (atm).Se sabe que 1 atm = 760 mm de Hg. Además, soluto , es la fracción molar del solutopresente en la disolución.Aumento de la presión osmótica Determinaciones experimentales y deducciones teóricas han llevado a laconclusión de que el soluto de una solución ideal se comparte como un gas encerrado enun recipiente, ejerciendo una presión sobre las paredes denominada presión osmótica,y representada con la letra . La presión osmótica resulta ser directamente proporcional al número de moles desoluto disuelto y a la temperatura absoluta, e inversamente proporcional al volumen, conuna constante de proporcionalidad que tiene el mismo valor de la constante de los gases,R.De tal forma que n R  T  Ven la que R = 0.082 atm·L·mol-1·K-1. Si un soluto se encuentra en diferente concentración en dos puntos distintos deuna misma solución, se establecerá una diferencia de presiones osmóticas y como efectode ello una tendencia a la igualación de la concentración para que el sistema esté enequilibrio.Las propiedades osmóticas tienen enorme importancia en los procesos fisiológicos debidoa que muchas células poseen membranas de carácter semipermeable.
  13. 13. 13En un recipiente que contiene un determinado solvente, se introduce una bolsa de unmaterial semipermeable, que contiene una solución formada por el mismo solvente ycierto soluto. Al entrar en contacto, se va a producir una diferencia de presión osmótica(A), que ocasionará que el solvente (que puede atravesar la pared), ingrese en cantidadsuficiente para garantizar el equilibrio entre las presiones osmótica que hay al interior yexterior de la bolsa (B).

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