Grado en Biología Tema 2. Disoluciones

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Teresa Fresno GarcíaFacultad de Ciencias (Edif. Ciencias). Módulo [email protected]

Tema 2. Disoluciones

QuímicaGrado en Biología

Química. Grado en Biología. Curso 21-22 2


Contenidos

1. Tipos de disoluciones

2. Composición de las disoluciones: formas de expresión

3. Diluciones



1. Tipos de disolucionesMezclas

de dos o más sustancias en proporciones variables

Homogéneas:Composición uniforme (en la misma fase).Si tomamos una alícuota su composición esigual a la original.

Heterogéneas:No uniformes (a veces en distintas fases).Sus componentes se pueden separar pormétodos físicos (filtrado, centrifugación).

Disolución (verdadera): mezcla homogénea en la que no son detectables partículas individuales.

Suspensión: mezcla heterogénea en la que las partículas son lo suficientemente grandes parasedimentar por gravedad.

Suspensión coloidal: mezcla heterogénea con partículas pequeñas, o moléculas o iones unidosformando agregados pequeños, que pueden permanecer en suspensión sin sedimentar.

En ocasiones, los fluidos presentes en los seres vivos, p.ej. la leche, son a la vez una mezclaheterogénea, una suspensión coloidal (grasas emulsionadas) y una disolución verdadera (de salesinorgánicas, aminoácidos, azúcares sencillos)

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias.




Componentes de una disolución:

Disolvente: componente mayoritario de ladisolución.Determina si la disolución es un sólido, unlíquido o un gas.

Soluto(s): los demás componentes (minoritarios) de la disolución.



1. Tipos de disolucionesOtras definiciones

Solubilidad: máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una determinadacantidad de disolvente a una temperatura específica.

Disolución saturada: contiene la máxima cantidad de soluto que se puede disolver enun disolvente específico a una temperatura concreta.

Disolución no saturada: la cantidad de soluto es menor que la que se puede disolveren un disolvente específico a una temperatura concreta. Todavía se puede disolver mássoluto en las mismas condiciones.

Disolución sobresaturada: la cantidad de soluto es mayor que la que puede haber enuna disolución saturada.

Disolución diluida: contiene una cantidad “relativamente” pequeña de soluto.

Disolución concentrada: contiene una cantidad “relativamente” grande de soluto. Noes saturada porque puede admitir más soluto.




Tanto los solutos como el disolvente de una disolución pueden estar en estadolíquido, sólido o gaseoso. Distinguimos así los siguientes tipos de disoluciones enfunción del estado de agregación de sus componentes:

Estado del soluto

Estado del disolvente

Estado de la disolución

Ejemplo

Gas Gas Gaseoso Aire

Gas Líquido Líquido CO2 en agua

Gas Sólido Sólido H2 (g) en paladio

Líquido Líquido Líquido Etanol en agua

Sólido Líquido Líquido Sacarosa en agua

Sólido Sólido Sólido Aleación homogénea

Otras mezclas, como líquido en gas (ej. agua en aire) o sólido en gas (ej. polvo en aire), no seconsideran disoluciones verdaderas.



1. Tipos de disolucionesDisoluciones en líquido. Solubilidad.

El proceso de disolución se puede aproximar a tres etapas:1. Rotura de enlaces del disolvente (proceso endotérmico, ∆H > 0)2. Rotura de enlaces del soluto (proceso endotérmico, ∆H > 0)3. Formación de enlaces soluto-disolvente (proceso exotérmico, ∆H < 0)

∆Hdisol = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3

El valor de ∆Hdisol puede ser positivo (procesoendotérmico) o negativo (proceso exotérmico)dependiendo de los valores de ∆H de cada etapa, quedependen de la intensidad de las fuerzasintermoleculares.

Semejante disuelve a semejante(simplificación muy práctica para predecir la solubilidad de un compuesto en un disolvente)

En realidad también hay que tener en cuenta la energía libre de Gibbs (∆Gdisol) para saber si unproceso de disolución será espontáneo y, por tanto, también hay que considerar la entropía.

∆Gdisol = ∆Hdisol + T ∆Sdisol


1. Tipos de disolucionesDisoluciones en líquido. Solubilidad.


Efecto de la temperatura

Sólidos: en la mayoría de los casos, la solubilidad (s)aumenta al aumentar T.Por lo general (disoluciones saturadas o casi): enprocesos exotérmicos s aumenta con T y enprocesos endotérmicos, s disminuye con T (¡noaplicable siempre!)

Gases: en la mayoría de los casos, la solubilidad disminuye al aumentar T.(O2 disuelto en océanos y calentamiento global)

Efecto de la presión

Sólidos: poco significativa

Gases: la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre ladisolución, es decir, aumenta al aumentar la presión parcial del gas.Ley de Henry: c = k · P (k constante que depende de T) Ej.: efervescencia refrescos




Preparación de una disolución en medio líquido

1. Se mide la cantidad (masa, volumen) necesaria de soluto para el volumen dedisolución que se va a preparar para alcanzar la concentración deseada

2. Se disuelve el soluto en un volumen aproximado de disolvente. Se mezcla bienpara que se disuelva todo el soluto

3. Se transfiere la disolución a un matraz volumétrico que permite ajustar elvolumen final

4. Se añade disolvente hasta alcanzar el volumen final de la disolución5. Homogeneizar

Vídeo

https://www.youtube.com/watch?v=CE2te7LVCQE




Molaridad (M; mol L-1) M =moles soluto (mol)

volumen disolución (L)

Molalidad (m; mol kg-1) m =moles soluto (mol)masa disolvente (kg)

Porcentaje

Porcentaje en peso, %(p/p) = masa soluto (g)masa disolución (soluto+disolvente) (g) ∙ 100

Porcentaje en volumen, %(v/v) = volumen soluto (L)volumen disolución (L) ∙ 100

Porcentaje en peso/volumen, %(p/v) = masa soluto (g)volumen disolución (mL) ∙ 100




Fracción molar (χ) χi =moles soluto (mol)

moles totales disolución (disolvente + soluto(s))(mol)

Partes por millón (ppm)

ppm = masa soluto (g)masa disolvente (g) ∙ 106 = masa soluto (µg)

masa disolvente (g)Expresado en peso/peso:

Expresado en peso/volumen: ppm = masa soluto (µg)volumen disolvente (mL) (también en mg/L)

Partes por billón* (ppb)

Expresado en peso/peso:

Expresado en peso/volumen: ppb = masa soluto (ng)volumen disolvente (mL) (también en µg/L)

ppb = masa soluto (g)masa disolvente (g) ∙ 109 = masa soluto (ng)

masa disolvente (g)

*billón anglosajón (disntinto del español): 109



2. Composición de las disoluciones: formas de expresiónEjemplo 1. Ejercicio 2.4. Completa la siguiente tabla para disoluciones de NaOH.

Densidad (g/cm3) Molaridad Molalidad % p/p NaOH

a 1,05 1,32 ? ?

% NaOH (p/p) = masa soluto (g)masa disol. (g) ∙ 100 = 1,32 mol NaOH

1 L disol. · 40 g NaOH1 mol NaOH · 1 L disol.

1050 g disol. · 100 = 5,03 %

Molalidad: m = moles soluto (mol)masa disolvente (kg)

• Cálculos para 100 g de disolución: m = 5,03 g NaOH(100 g disol. − 5,03 g NaOH) · 1 mol NaOH

40 g NaOH · 1000 g1 kg = 1,32 m

• Cálculos para 1 L de disolución:

Este dato lo sacamos del %p/p: por cada 100 g de disolución hay 5,03 g de NaOH

Restamos los gramos de soluto a los de disolución para saber cuántos gramos hay de disolvente

1 L de disolución = 1050 g 1050 g disol. – 1,32 mol NaOH · 40 g NaOH1 mol NaOH = 997,2 g disolvente

m = 1,32 mol NaOH997 g disolvente · 1000 g

1 kg = 1,32 m



Ejemplo 2. Problema 2.6: Una muestra de vinagre comercial contiene un 4,0 % en peso de ácidoacético (Pm=60,00). La densidad de esta disolución es 1,0058 g/mL. Averigua la concentración de ácidoacético expresada en fracción molar χ, molalidad m, molaridad M, % en volumen, y g soluto/100 mLdisolución, si la densidad del ácido acético es de 1,0492 g/mL.


Para 1 L de disolución

Soluto Disolvente Disolución

Moles (mol)

Masa (g)

Volumen (L)

Para la resolución de este tipo de problemas, es práctico rellenar una tabla como esta, que podemos calcular con los datos que nos da el enunciado:

40,232 g ∙ 1 mol60,00 g

= 0,6705 mol

4 g100 g · 1005,8 g

1 L= 40,232 g

40,232 g ∙ 1 mL1,0492 g

= 38,345 mL

1005,8 g – 40,232 g= 965,6 g

965,6 g · 1 mol18 g

= 53,64 mol

¡El disolvente es agua!

965,6 g · 1 mL1,000 g

= 965,6 mL

53,64 + 0,6705 = 54,31 mol

1005,8 g

1 L



Ejemplo 2. Problema 2.6: Una muestra de vinagre comercial contiene un 4,0 % en peso de ácidoacético (Pm=60,00). La densidad de esta disolución es 1,0058 g/mL. Averigua la concentración de ácidoacético expresada en fracción molar χ, molalidad m, molaridad M, % en volumen, y g soluto/100 mLdisolución, si la densidad del ácido acético es de 1,0492 g/mL.


Con los datos de la tabla calculamos la concentración de ácido acético en todas las formas deexpresión que nos piden:

χ𝐇𝐇𝐇𝐇𝐇𝐇 =0,6705 moles HAc

54,31 moles totales= 0,01235

𝐦𝐦 =0,6705 moles HAc

0,9656 kg agua= 0,6944 m

𝐌𝐌 =0,6705 moles HAc

1 L disolución= 0,6705 M

%𝐯𝐯/𝐯𝐯 =38,345 mL HAc

1000 mL disolución· 100 = 3,835%

%𝐩𝐩/𝐯𝐯 =40,232 g HAc

1000 mL disolución· 100 = 4,023%

Para 1 L de disolución Soluto Disolvente Disolución

Moles (mol) 0,6705 53,64 54,31

Masa (g) 40,232 965,6 1005,8

Volumen (L) 38,345 965,6 1

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3. DilucionesEn los laboratorios es muy habitual realizar diluciones a partir de disoluciones másconcentradas.Esto puede ser muy útil cuando, por ejemplo, la cantidad de soluto que debemos medir esmuy pequeña o para preparar rectas patrón.

Al realizar una dilución, obtenemos una disolución menos concentrada que la inicial.

Para ello tomamos un volumen (Vi) de una disolución de concentración conocida (Mi) yañadimos más disolvente hasta alcanzar un volumen final (Vf). La concentración final Mfserá entonces menor que la inicial.

En una dilución el número de moles (n) es el mismo en el volumen tomado y en la disolución final. Mi ∙ Vi = Mf ∙ Vf

Mi

nVf

Mi > Mf

Link a simulador: añade o elimina disolventepara ver cómo varía la concentración de una sal

Mi

Mf

Vi

n = n ; Vi < Vf

n

+ disolvente

Como n (mol) = M (mol/L) · V (L)

https://phet.colorado.edu/en/simulations/concentration



Conocemos la concentración de la disolución de partida y el volumen y concentración dela que queremos preparar, por tanto el cálculo es directo.

Siempre hay que tener en cuenta que el nº de moles se mantiene al diluir.

3. Diluciones

Ejemplo.¿Qué volumen de una disolución acuosa de glucosa 0,25 M se necesita para preparar750 mL de otra disolución 0,013 M por dilución?

Si Mi·Vi=Mf·Vf Vi =Mf·Vf

Mi= 750 mL · 0,013 M

0,25 M = 39 mL

Para preparar la disolución diluida, tomar 39 mL de disolución concentrada y enrasar a 750 mL.



3. Diluciones

Problema 2.11: Se dispone de una disolución de ácido ortofosfórico al 85,0% (p/p) con una densidad de 1,70 kg/L. Calcula: b) el volumen que se debe tomar para preparar 100 mL de una disolución 1,0 M de dicho ácido.

Lo primero que debemos calcular es la concentración molar (mol/L) de la disolución de partida:

85,0 g H3PO4

100 g disolución·

1700 g1 L disolución

·1 mol H3PO4

98,0 g H3PO4= 14,7 M

Para calcular el volumen de esa disolución que debemos tomar, consideramos que el nºde moles de mantiene. Por tanto:

Si Mi·Vi = Mf·Vf Vi=Mf · Vf

Mi= 1,0 M ·100 mL

14,7 M = 6,8 mL

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