Química General II - Unidad 2 - Soluciones I

Unidad 2 - Soluciones I

Lecturas Asignadas

• Libro de Texto: Principles of Chemistry: A Molecular Approach, 3rd Edition (2016) by Nivaldo J. Tro, pages 479-497 of chapter 12.
• PPT Unidad 2: Soluciones 1 (Moodle)
• Módulo: Cálculos con molaridad (Moodle-3001)
• Módulo: Cálculos con formas de expresar concentración (Moodle)

Soluciones

• Una solución es una mezcla homogénea.
• Componentes:
  • Disolvente: El componente presente en mayor cantidad.
  • Soluto: El componente presente en menor cantidad, disuelto en el disolvente.

Tipos Comunes de Soluciones (Tabla 12.1)

• Gaseous solution
  • Solute Phase: Gas
  • Solvent Phase: Gas
  • Example: Air (mainly oxygen and nitrogen)
• Liquid solution
  • Gas in Liquid: Club soda (CO2 and water)
  • Liquid in Liquid: Vodka (ethanol and water)
  • Solid in Liquid: Seawater (salt and water)
• Solid solution
  • Solid in Solid: Brass (copper and zinc) and other alloys

Solubilidad y Equilibrio Dinámico

• Solubilidad: La cantidad de un compuesto que se disuelve en una cantidad dada de disolvente a una temperatura dada para dar una solución saturada.
• Solución Saturada: Contiene la cantidad máxima de soluto que se puede disolver a una temperatura dada.
  • Se establece un equilibrio dinámico entre el soluto disuelto y cualquier exceso de soluto sin disolver.
  • No se disolverá más soluto.

Equilibrio Dinámico

• La rapidez de disolución es igual a la rapidez de cristalización.
• Representación:
  NaCl (s) \rightleftharpoons Na^+ (ac) + Cl^- (ac)

Tipos de Soluciones (cont.)

• Solución Insaturada: Contiene una cantidad menor de soluto que la cantidad máxima que se puede disolver a una temperatura dada.
  • La solución no está en equilibrio con respecto a la sustancia disuelta.
  • Se puede disolver soluto adicional.
• Solución Sobresaturada: Solución inestable que contiene una cantidad mayor de soluto de la que se puede disolver a una temperatura dada.
  • Se prepara disolviendo el soluto a una alta temperatura y enfriando lentamente para evitar la precipitación.

Factores que Determinan la Solubilidad

1. Tendencia Natural al Desorden: Favorece la formación de la solución.
2. Factor Energía: Asociado a las fuerzas de atracción entre las especies (moléculas o iones) que componen el soluto y el disolvente.
   • Considerar interacciones soluto-soluto, disolvente-disolvente y disolvente-soluto.
   • Soluto (sólido) + Disolvente (líquido) → Solución

Tendencia a la Formación de Mezclas

• Entropía: Medida de la energía de la tendencia al desorden.

Efecto de Fuerzas Intermoleculares

• Interacciones solvente-solvente
• Interacciones solvente-soluto
• Interacciones soluto-soluto

Interacciones Relativas y Formación de Soluciones (Tabla 12.2)

• Solvent-solute interactions || Solvent-solvent and solute-solute interactions --> Solution forms
• Solvent-solute interactions > Solvent-solvent and solute-solute interactions --> Solution forms
• Solvent-solute interactions < Solvent-solvent and solute-solute interactions --> Solution may or may not form, depending on relative disparity

Energía y Proceso de Solución

• Separate solute molecules: \Delta H > 0 (Endothermic)
• Separate solvent molecules: \Delta H > 0 (Endothermic)
• Allow solvent and solute molecules to mix: \Delta H < 0 (Exothermic)
• \Delta H{soln} = \Delta H{solute} + \Delta H{solvent} + \Delta H{mix}

Soluciones de Especies Moleculares

• La solubilidad depende de las fuerzas intermoleculares del soluto y el disolvente.
• Ejemplos:
  • Heptano (C7H16) y Octano (C8H18): Fuerzas de London similares → miscibles.
  • Octano y agua: Fuerzas de London vs. London, dipolo-dipolo y puentes de hidrógeno (no similares) → inmiscibles.
  • Etanol (CH3CH2OH) y agua: Fuerzas de London, dipolo-dipolo y puentes de hidrógeno similares → miscibles.
  • A menor cadena de carbonos en un alcohol (ROH), mayor solubilidad en agua.
• Las soluciones se forman cuando las fuerzas intermoleculares soluto-soluto, disolvente-disolvente y soluto-disolvente son similares.

Soluciones de Especies Iónicas

• Ion-Dipole Interactions

Soluciones Acuosas y Calor de Hidratación

• \Delta H{solución} = \Delta H{soluto} + \Delta H_{hidratación}
• \Delta H_{soluto} > 0 (endothermic)
• \Delta H_{hidratación} < 0 (exothermic)

Fuerzas Intermoleculares

• Dispersion
• Dipole-dipole
• Hydrogen bond
• Ion-dipole

Práctica de Efecto de Fuerzas Intermoleculares

• Indique si los siguientes son solubles o insolubles en agua:
  • CH3CH2CH3
  • NH3
  • KBr

Efecto de la Temperatura en la Solubilidad

1. Un aumento en temperatura disminuye la solubilidad de un gas en agua.
2. La solubilidad de la mayoría de los compuestos iónicos sólidos en agua aumenta con un aumento en temperatura.

Efecto de la Presión en la Solubilidad

• La presión no tiene gran efecto en la solubilidad de un líquido o un sólido en agua, pero sí afecta la solubilidad de un gas.
• Los gases son más solubles en un líquido a T constante al aumentar la presión parcial del gas sobre la solución.

Solubilidad de Gases en Agua

• Equilibrium
• Pressure is increased.
• More CO2 dissolves.
• Equilibrium restored

Expresiones de Concentración

• Concentración: Medida de la cantidad de una sustancia relativa a la cantidad de solución.
• Formas de expresar concentración:
  • Molaridad
  • Molalidad
  • Porcentaje por masa (% m/m)
  • Porcentaje por volumen (% v/v)
  • Porcentaje masa/volumen (% m/v)
  • Fracción molar

Molaridad (M)

• M = \frac{moles \ de \ soluto}{litros \ de \ solución}
• Ejemplo: ¿Cuántos moles de Cu2+ hay en 400.0 mL de solución 0.125 M en este ión?

Molalidad (m)

• m = \frac{moles \ de \ soluto}{kilogramo \ de \ disolvente}
• Ejemplo: Calcule la molalidad de NaCl (Mm = 58.5 g/mol) en una solución preparada mezclando 0.5612 g de la sal con 100.0 mL de agua (d = 1.00 g/mL).

Porcentaje por Masa (% m/m)

• \% \frac{m}{m} = \frac{gramos \ de \ soluto}{gramos \ de \ solución} \times 100
• Ejemplo: Calcule el porcentaje por masa de hexano en una mezcla que contiene 6.22 g de este compuesto y 184.6 g de octano.

Porcentaje por Volumen (% v/v)

• \% \frac{v}{v} = \frac{volumen \ (mL) \ de \ soluto}{volumen \ (mL) \ de \ solución} \times 100
• Ejemplo: Calcule el porcentaje por volumen de metanol en una mezcla que contiene 31.03 mL de este alcohol y 2.750 L de agua.

Porcentaje Masa/Volumen (% m/v)

• \% \frac{m}{v} = \frac{gramos \ de \ soluto}{mililitros \ de \ solución} \times 100
• Ejemplo: Calcule los gramos de azúcar en un refresco de 300 mL que es 3.7 % (m/v) de azúcar.

Fracción Molar (X)

• X = \frac{moles \ de \ soluto \ de \ interés}{moles \ totales \ en \ la \ solución}
• Ejemplo: ¿Cuál es la fracción molar de Cr en una aleación que se preparó mezclando 2.238 g de Cu (Mm = 63.8 g/mol), 0.170 g de Cr (Mm = 52.0 g/mol) y 0.0349 g de Ni (Mm = 58.7 g/mol)?

Práctica: Expresiones de Concentración

1. Una solución fue preparada disolviendo 1.45 g de azúcar de mesa (sacarosa, C12H22O11, Mm = 342 g/mol) en 30.0 g de H2O (Mm = 18.0 g/mol, d = 1.00 g/mL). La densidad de la solución es 1.02 g/mL.

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

a. Calcule la molalidad (m)
m = \frac{\frac{1.45 \ g}{342 \ g/mol}}{0.030 \ kg} = 0.141 \ m

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

b. Calcule el % m/m
\% \frac{m}{m} = \frac{1.45 \ g}{1.45 \ g + 30.0 \ g} \times 100 = 4.61 \% \frac{m}{m}

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

c. Calcule la fracción molar de soluto y disolvente
X_{soluto} = \frac{moles \ soluto}{moles \ soluto + moles \ disolvente} = \frac{\frac{1.45 \ g}{342 \ g/mol}}{\frac{1.45 \ g}{342 \ g/mol} + \frac{30.0 \ g}{18.0 \ g/mol}} = 0.00254

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

X{soluto} + X{disolvente} = \frac{moles \ soluto}{moles \ soluto + moles \ disolvente} + \frac{moles \ disolvente}{moles \ soluto + moles \ disolvente} = \frac{moles \ soluto + moles \ disolvente}{moles \ soluto + moles \ disolvente} = 1
X{disolvente} = 1 - X{soluto} = 1 - 0.00254 = 0.99746

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

d. Calcule el % m/V
\% \frac{m}{V} = \frac{1.45 \ g}{31.45 \ g \ solución \times \frac{1 \ mL}{1.02 \ g}} \times 100 = 4.70 \% \frac{m}{V}

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

e. Calcule la molaridad (M)
M = \frac{\frac{1.45 \ g \times \frac{1 \ mol}{342 \ g}}{(1.45 + 30.0) \ g \ solución \times \frac{1 \ mL \ solución}{1.02 \ g \ solución} \times \frac{1 \ L}{1000 \ mL}} = 0.138 \ M

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

2. Considere una solución de LiCl (ac) con un 5.75 % m/m. ¿Cuántos gramos de LiCl hay en 27.8 g de la solución?

• 5. 75 % m/m significa: 5.75 g de LiCl en 100 g de solución
  27.8 \ g \ solución \times \frac{5.75 \ g \ LiCl}{100 \ g \ solución} = 1.60 \ g \ LiCl

Práctica: Expresiones de Concentración (cont.)

3. Desea preparar una solución acuosa de etanol con un 24.8 % v/v. ¿Cuántos mL de agua hay que añadir a 35.0 mL de etanol?
   \frac{24.8 \ mL \ etanol}{100 \ mL \ solución}
   35.0 \ mL \ etanol \times \frac{100 \ mL \ solución}{24.8 \ mL \ etanol} = 141 \ mL \ solución
   mL \ H2O = 141 - 35.0 = 106 \ mL

Concentración Molar de un Ión en una Solución

• Determine la molaridad de cloruro (Cl-) en 525 mL de una solución acuosa donde se disolvieron 4.45 g de MgCl2 (Mm = 95.21 g/mol).

Concentración Molar de un Ión en una Solución

4. Considere una 750.0 mL de una solución preparada disolviendo 39.1 g de Al(NO3)3 (Mm = 213 g/mol) en agua. Calcule:
   a. molaridad de Al(NO3)3
   M = \frac{\frac{39.1 \ g}{213 \ g/mol}}{0.750 \ L \ solución} = 0.245 \ M

Concentración Molar de un Ión en una Solución

b. molaridad de Al3+
M= 0.245 \frac{mol \ Al(NO3)3}{L}* \frac{1 \ mol \ Al^{3+}}{1 \ mol \ Al(NO3)3} = 0.245 M
c. molaridad de NO3 -
M= 0.245 \frac{mol \ Al(NO3)3}{L}* \frac{3 \ mol \ NO3^-}{1 \ mol \ Al(NO3)_3} = 0.735 M

Cambiando Expresiones de Concentración

• Siendo las todas las expresiones de concentración una razón de cantidad de soluto a cantidad de solución (o de disolvente en el caso de molalidad), una expresión puede ser expresada como otra haciendo cálculos simples.
• Para esto es útil:
  • Las Mm del soluto y del disolvente
  • La densidad de la solución

Práctica de Cambios de Expresión de Concentración

• ¿Cuál sería la concentración molar en NaBr (Mm = 102.9 g/mol) de una solución acuosa con fracción molar de 0.002340 en esta sal? La densidad de la solución es 1.03 g/mL. (Mm H2O = 18.0 g/mol
• Determine la molalidad de Ca(OH)2 (Mm = 74.1 g/mol) en una solución acuosa que tiene una fracción molar en Ca(OH)2 de 0.0450. (Mm H2O = 18.0 g/mol)
• Calcule la molaridad en AgNO3 (Mm = 170.0 g/mol) de una solución acuosa que es 0.0300 m en AgNO3 si la densidad de la solución es 1.02 g/mL.

Práctica de Cambios de Expresión de Concentración

1. Determine la molalidad de Ca(OH)2 (Mm = 74.1 g/mol) en una solución acuosa que tiene una fracción molar en KBr de 0.02404. (Mm H2O = 18.0 g/mol)
   *Considere 1 mol de solución: tenemos 0.02404 mol de KBr.
   *Moles de H2O = 1 – 0.02404 = 0.97596 mol
   *Para calcular la molalidad: m = \frac{moles \ KBr}{kg \ H2O}
   m = \frac{0.02404 \ mol \ KBr}{0.97596 \ mol \ H2O \times \frac{18.0 \ g}{1 \ mol} \times \frac{1 \ kg}{1000 \ g}} = 1.37 \ m

Práctica de Cambios de Expresión de Concentración

2. Calcule la molaridad de una solución acuosa con un 25.0 % m/m de H2SO4 (Mm = 98 g/mol). La densidad de la solución es 1.18 g/mL.
   *Considere 100 g de solución: tenemos 25 g de H2SO4.
   *Para calcular la molaridad: M = \frac{moles \ H2SO4}{L \ solución}
   M = \frac{\frac{25 \ g}{98 \ g/mol}}{100 g \ solución \times \frac{1 \ mL}{1.18 \ g} \times \frac{1 \ L}{1000 \ mL}} = 3.0 \ M

Práctica de Cambios de Expresión de Concentración

3. Determine la molalidad de K2CrO4 (Mm = 194 g/mol) en una solución acuosa que tiene una molaridad de 1.21 M. La densidad de la solución es 1.17 g/mL.
   *Considere 1 L (1,000 mL) de solución: tenemos 1.21 mol de K2CrO4.
   *Además, tenga en cuenta que: g solución = g soluto + g disolvente
   *Para calcular la molalidad: m = \frac{moles \ K2CrO4}{kg \ disolvente}
   *g disolvente = (1,000 mL x 1.17 g/mL) – (1.21 mol x 194 g/mol) = 935.26 g

Práctica de Cambios de Expresión de Concentración

m = \frac{1.21 \ mol \ K2CrO4}{0.93526 \ kg \ disolvente} = 1.29 \ m