UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA

INGENIERIA QUIMICA- ALIMENTOS

DISOLUCIONES

EGR. ALFREDO LUIS ROJAS B.

AUX. LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL

Industrialicemos nuestras materias primas, Trabajemos hoy por una Bolivia mejor

Niebla

2

Contenido 1 DISOLUCIONES ___________________________________________________ 3

1.1 Tipo de disoluciones _________________________________________ 4

1.2 El proceso de disolución______________________________________ 5

2 UNIDADES DE CONCENTRACIÓN____________________________________ 6

3 SOLUBILIDAD ___________________________________________________ 10

3.1 Factores que afectan la solubilidad___________________________ 10 3.1.1 Interacción soluto-disolvente ____________________________ 10 3.1.2 Efecto de la presión_____________________________________ 10 3.1.3 Efecto de la temperatura ________________________________ 11

3.2 Solubilidad ilimitada ________________________________________ 13

3.3 Solubilidad limitada _________________________________________ 14

4 PROPIEDADES COLIGATIVAS ______________________________________ 16

4.1 Abatimiento de la presión ___________________________________ 16

4.2 Elevación del punto de ebullición ____________________________ 17

4.3 Abatimiento del punto de congelación________________________ 19

4.4 Presión osmótica ___________________________________________ 19

5 APLICACIONES INDUSTRIALES____________________________________ 21

Sus objetivos al estudiar este capitulo serán ser capaz de:

Definición y estudio de las disoluciones

Mostrar las unidades de concentración en la aplicación física y química

Ver los factores que afectan a la solubilidad

Descripción de las propiedades coligativas

Mostrar la aplicación de las disoluciones en la industria

3

Las mezclas constituyen sistemas formados por dos o más especies que no

reaccionan químicamente entre sí. Estos materiales pueden ser homogéneos,

cuando óptimamente presentan una sola fase, y una distribución regular de

sus propiedades físicas y químicas y heterogéneos cuando presentan dos o más

fases y una distribución irregular de sus propiedades.

La fase de un sistema, es la porción homogénea que se puede separarse

mecánicamente, es decir, mediante el uso de algunos de los procesos que se

mencionan a continuación: tamización, decantación, imantación, filtración,

centrifugación.

Son mezclas homogéneas, agua con azúcar; cloroformo con éter etílico,

alcohol etílico con bencina, etc.

Son mezclas heterogéneas: azufre con agua, almidón con alcohol, kerosén y

agua.

1 DISOLUCIONES

Las disoluciones son materiales homogéneos formados por dos o más especies

químicas que no reaccionan entre sí; cuyos componentes se encuentran en

proporción que varía entre ciertos límites.

Toda disolución está formada por una fase dispersa llamada soluto y un medio

dispersante denominado disolvente. Una disolución puede estar formada por

uno o más soluto y uno o más disolventes. Pero en este tema nos referiremos

a las soluciones binarias, es decir, aquellas que están constituidas solo por un

soluto y un disolvente.

En una solución puede ocurrir cualquiera de los siguientes puntos

Un átomo puede ser substituido por otro, en sitios de la red

pertenecientes a la estructura de la fase.

Los átomos pueden colocarse en intersticios de la estructura.

El soluto no modifica la estructura del solvente.

4

1.1 Tipo de disoluciones

Las disoluciones las podemos clasificar según los componentes que las forman,

y el estado en que se encuentran:

Las disoluciones más frecuentes que nos encontramos en la naturaleza son

aquellas que tienen el soluto sólido, y el disolvente líquido; pero también son

importantes aquellas en las que soluto y disolvente son líquidos, y las que el

soluto es gas y el disolvente es líquido.

En las disoluciones líquido-líquido, los dos líquidos han de ser totalmente

miscibles, por ejemplo el agua y alcohol.

Disolvente Soluto Ejemplos

Gas Aire

Líquido Niebla Gas

Sólido Humo

Gas Bebidas carbónicas

Líquido alcohol 96º

Líquido

Sólido

leche y cola cacao

Gas

Metal con burbujas

Líquido Amalgamas (Hg y metal) Sólido

Sólido Aleaciones: Bronce (Cu+Sn), Acero (C+ Fe)

5

Las disoluciones también las podemos clasificar en función de la proporción

relativa de soluto y disolvente así:

Solución Diluida es aquélla en la que la proporción de soluto respecto a la de

disolvente es muy pequeña

Disolución Concentrada es aquélla en la que l a proporción de soluto

respecto al disolvente es alta.

Disolución Saturada es la que no admite más cantidad de soluto sin variar la

de disolvente.

1.2 El proceso de disolución

La facilidad del proceso de disolución depende de dos factores:

El cambio de energía (exotermicidad o endotermicidad).

El cambio de desorden (denominado cambio de entropía).

Las principales interacciones que afectan la disolución d e un soluto en

disolvente son:

atracciones soluto-soluto.

atracciones disolvente-disolvente.

atracciones disolvente-soluto.

Es preciso vencer las atracciones inter-moleculares o Ínter-iónicas entre las

partículas de soluto en el soluto puro (paso a ) para que se disuelva. Esta

parte del proceso requiere consumo de energía. Las separación de las

moléculas de disolvente una de la otra (paso b) para que “haya lugar” para las

partículas de soluto, también consume energía. Sin embargo, cuando las

Solucion Diluida Solucion Concentrada

Soluto

Disolvente

6

partículas de soluto y las moléculas de disolvente interaccionan en la solución

(paso c ), se libera energía. El proceso d e disolución es exotérmica ( se

favorece ) cuando la cantidad de calor que libera del paso c. Es endotérmica (

y no se ve favorecida ) cuando la cantidad de calor que se libera en el paso c.

Sin embargo, muchos sólidos se disuelven en líquidos por procesos

endotérmicos. La razón de que estos procesos se produzcan es que la

endotermicidad es contrarrestada por un mayor incremento en el desorden de

soluto que acompaña al proceso de disolución.

Casi todos los procesos de disolución están acompañados de un incremento de

desorden tanto en el disolvente como en el soluto. Por tanto, este factor de

desorden suele ser favorable a la solubilidad.

2 UNIDADES DE CONCENTRACIÓN

Entre las unidades físicas se maneja porcentaje en peso, porcentaje en

volumen, gramos por unidad de volumen, en términos de densidad y entre las

unidades químicas tenemos las siguientes:

Fracción molar (X)

disolventesoluto

disolventedisolvente

disolventesoluto

solutoSoluto nn

nX

nnn

X+

=+

=

Donde:

Ejemplo Una disolución liquida contiene 11.5 gramos de una proteína, 2.5 gramos de

KCl y 985.8 gramos de agua. El peso molecular promedio de la proteína es de

525000g/mol. Calcule la fracción mol de cada componente de la disolución.

Solución

disolventedemolesnsolutodemolesn

disolvente

soluto

==

7

0000003.010*62.310*19.2766.54

10*19.225

5

=++

= −−

−

PX

0006605.010*62.310*19.2766.54

10*62.325

2

=++

= −−

−

KClX

999339.010*62.310*19.2766.54

7666.54252=

++= −−OHX

Molaridad (M) Es la unidad mas usadas en el laboratorio y se define como:

soluciondelitrosolutomolesM =

Ejemplo Se tiene un 5 litros de β tuyona proveniente del extracto de ajenjo. Tiene

como masa 8 gramos ( Peso molecular 139 g/mol ). Determiné la molaridad de

este extracto activo

Solución

057.0139

8==solutomoles

Lmollitros

molM /0115.05057.0

==

Ejemplo

Se tiene un ácido clorhídrico en el laboratorio con una densidad de 1.18 g/ml

y una pureza de 36.9 % Determine la contracción de este ácido.

ML

mlHClg

HClmolmlsoluciong

solucionggHCl 92.11

11000*

5.361*

118.1*

1009.36

=

766.5418

8.985

10*62.3557.747.2

10*19.2525000

5.11

2

5

==

==

==

−

−

aguademnoles

KCldemoles

proteinademoles

8

Normalidad

soluciondeLitrosolutodelesequivalentdeNumeroN =

Ejemplo Se desea preparar 250ml de una solución 5 N de H2SO4 a partir de una

solución de densidad 1,01 g/ml y 85 % de pureza ( no es un ácido pro-

análisis). Determine la cantidad de ácido necesario.

Solución

Determinaremos la concentración del ácido expresando en normalidad se

tiene

NL

mlSOHmol

SOHesequivalentSOHgSOHmol

mlsoluciong

soluciongSOHg 52.17

11000*

12*

981*

101.1*

10085

42

42

42

4242 =

Aplicando la siguiente relación

C1 = 17.52 N

V1=?

C2 = 5 N

V2 = 250 ml

Ejemplo

Para determinar la concentración de ácido acético en un vinagre, se obtienen

150 cm3 del mismo, se añaden unas gotas de indicador de fenolftaleina y se

titula esta solución con soda cáustica 1 N. El cambio de color se produce

después de usar 75 cm3 de la solución cáustica. ¿Cuál es la concentración del

ácido acético expresado en normalidad?

Solución

C1V1=C2V2

mlN

mlNV 34.7152.17250*5

1 ==

acidoPMaceticoacidodemolgaceticoacidogsosademolgramosaceticoacidodemolgramos

vinagreelenaceticoacidodeGramosOHCOONaCHCOOHCHNaOH

*

233

==

+→+

9

Gramos mol de sosa utilizada

gmol sosa = 1 (gmol/L)*(0.75L) = 0.075 g/mol

Molalidad ( m )

disolventederamosKidenumerosolutodemolesdenumeromolalidad

log=

Ejemplo ¿Cuál es la molalidad de una solución que contiene 128 gramos de CH3OH en

108 gramos de agua?

Solución

Ejemplo ¿Cuántos gramos de H2O deben usarse para disolver 50 gramos de sacarosa si

se desea preparar una solución de sacarosa C12H22O11 1.25 m?

Solución

OHgOHKgm

OHCmolessolucionlademolalidad

OHCmolesdenumeroOHramosKidenumero

obtieneseoreordenandOHKgdenumero

OHCmolesdenumerosolucionlademolalidad

OHCmolesOHCgOHCmolOHCgOHCmoles

22112212

1122122

2

112212

112212112212

112212112212112212

117117.025.1

146.0

log

;

146.03421*50?

===

=

=

==

Resumen de las unidades de concentración

NNormalidad 5.0150

1000*075.0==

KgmolOHCHgOHCHmol

OHKgOHCHg

OHKgOHCHmoles /37

321*

108.0128?

3

3

2

3

2

3 ==

10

3 SOLUBILIDAD Es la cantidad máxima de una sustancia que se disuelve en un acierta cantidad

de solvente.

3.1 Factores que afectan la solubilidad

3.1.1 Interacción soluto-disolvente

La solubilidad se incrementa al aumentar el peso molecular. Cuando se

efectúa alguna reacción química entre el gas y el disolvente se observa

solubilidad mucho mayor

Los líquidos polares tienden a disolverse fácilmente en los disolventes

polares ejemplo la cetona se disuelve en agua.

Los pares de líquido que se mezclan en todas las proporciones se dice

que son miscible, los que no se mezclan son inmiscibles. ( miscible el

etanol y agua ; inmiscible aceite y agua)

Las sustancias con fuerzas de atracción similares tiende a ser solubles

unas de las otras.

Lo semejante disuelve a los semejante así las sustancias polares son

solubles en disolventes polares.

3.1.2 Efecto de la presión

Sistema

Notación

Base

Aplicación

Tanto por ciento

%

Partes por 100 (p/p,p/V, V/P,V/V)

General

Molaridad

M

Moles de soluto por litro de solución

Química

Formalidad F Peso formula de soluto por litro de solución

Química

Normalidad N Equivalente de soluto por litro de solución

Química

Molalidad M Moles de soluto por 1000 g de disolvente

Física

Fracción Molar

X

Moles de componente por total de moles

Química y Física

11

La solubilidad de un gas en cualquier disolvente aumenta a medida que se

incrementa la presión del gas sobre el disolvente.

La solubilidad de los sólidos y los líquidos no se ven afectados notablemente

con la presión.

La ley de Herry se aplica a gases que no reaccionan con el disolvente en el

cual s encuentran (o en algunos casos gases que reaccionan en forma

incompleta). Suele iniciarse como sigue: la presión de un gas por encima de la

superficie de las soluciones es proporcional a la concentración del gas en la

solución.

La ley de Henry se representa simbólicamente así

kCgasPgas =

en donde Pgas es la presión de gas por encima de la solución y k es una

constante para un gas y un disolvente determinado a una temperatura dada.

Cgas representa la concentración de gas disuelto.

3.1.3 Efecto de la temperatura Generalmente un aumento de temperatura facilita el proceso de disolución de

un soluto. Lo que se explica por los siguientes hechos:

a) El calor suministrado al sistema aumenta la velocidad de difusión de las

partículas del soluto en el seno del solvente.

Aumento de presión

La solubilidad de un gas que no reacciona totalmente con el disolvente, se eleva al aumentar la presión del gas por encima de la solución

12

b) El calor suministrado es absorbido por las moléculas del soluto,

debilitándose las fuerzas intermoleculares y facilitándose el proceso de

solvatación.

Si embargo, existen casos en donde un aumento de temperatura disminuye la

solubilidad, como el caso del Ce2(SO4)3 el cual su solubilidad en agua a O ºC

es de 39,5 % mientras que a 100 C es de 2,5 %.

Existe otro caso como el del NaCl el cual una variación de temperatura no

altera, apreciablemente la solubilidad. Otro caso muy particular es el Na2S04

el cual al aumentar la temperatura aumenta la solubilidad hasta alcanzar un

máximo, a partir de allí un incremento de temperatura, disminuye la

solubilidad. Este comportamiento se debe a que a cierta temperatura los

cristales de la sal se hidratan provocando un descenso en la solubilidad.

La influencia de la temperatura en la solubilidad de las sustancias, para

algunas sustancias se han recogidos datos experimentales que han permitido

construir la gráfica de solubilidad en función de la temperatura.

En la gráfica se encuentra la relación soluto - solvente para una disolución

saturada a la temperatura en consideración.

Ej. la sustancia D, forma una disolución saturada a 20 ºC cuando 25g de ella

están disueltos en 100g del solvente.

13

CURVA DE SOLUBILIDAD

100

A C

90

80

70

E

B

60

50

D

40

F

30

20

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TEMPERATURA (ºC)

En los gases se puede decir que la solubilidad se ve favorecida cuando al

temperatura disminuye.

3.2 Solubilidad ilimitada

Suponga que se inicia con un vaso de agua y uno de alcohol. El agua es una

fase y el alcohol otra. Al vaciar el agua en el alcohol y revolver, solamente se

producirá una fase. El vaso contendrá una solución de agua y alcohol, con

estructura, propiedades y composición únicas. El agua y el alcohol son

solubles entre sí. Además, tienen una solubilidad ilimitada:

independientemente de la relación de agua y alcohol, al mezclarlos sólo se

produce una fase.

De manera similar, si se mezcla cualquier cantidad de cobre líquido y de

níquel líquido, sólo se obtendrá una sola fase líquida. La aleación de líquido

Solubilidad en gramos

14

tendrá la misma composición, propiedades y estructura en todas partes

(Figura), porque el níquel y el cobre tienen solubilidad líquida ilimitada.

Si la aleación líquida cobre-níquel se solidifica y se enfría a temperatura

ambiente, sólo se produce una fase sólida. Después de la solidificación, los

átomos de cobre y de níquel no se separan, sino que, en vez de ello, se

localizan de manera aleatoria en los puntos de la red CCaC. En el interior de

la fase sólida, la estructura, propiedades y composición son uniformes y no

existe interfase alguna entre los átomos de cobre y de níquel. Por tanto, el

cobre y el níquel también tienen solubilidad sólida ilimitada. La fase sólida es

una solución sólida.

Una solución sólida no es una mezcla. Las mezclas contienen más de un tipo

de fase y sus componentes conservan sus propiedades individuales. Los

componentes de una solución sólida se disuelven uno en el otro y no retienen

sus características propias.

3.3 Solubilidad limitada

Cuando se agrega una pequeña cantidad de Azúcar (primera fase) a un vaso

con agua (una segunda fase) y se revuelve, el Azúcar se disuelve totalmente

en el agua. Se obtendrá sólo una fase: agua azucarada. Sin embargo, si al

agua se le agrega demasiada Azúcar, el exceso se hundirá en el fondo del

vaso. Ahora se tienen dos fases, agua saturada con azúcar, más la sólida

excedente: el Azúcar tiene solubilidad limitada en el agua.

15

Figura: Muestra la limitación que tiene disolver azúcar en agua.

En la figura a continuación, se muestra como disminuye la temperatura de

solidificación del agua, al aumentar la cantidad de sal hasta un 23,3%, Esto se

usa para evitar el hielo en los pavimentos. Se puede apreciar que la zona del

gráfico sobre 0 ºC es similar al gráfico de agua y azúcar.

Figura: Muestra diagrame de fase de la solución agua y sal

16

4 PROPIEDADES COLIGATIVAS Cuando se disuelven un soluto en solvente líquido las propiedades de la

solución que se forma son diferentes a las propiedades del solvente.

Las propiedades físicas de las soluciones que dependen del número, pero no

del tipo de partículas de soluto en una cantidad dada de disolvente se

denomina propiedades coligativas. Las cuales son:

Abatimiento a la presión

Elevación del punto de ebullición

Abatimiento del punto de fusión

Presión osmótica

4.1 Abatimiento de la presión

La presión de vapor de las soluciones, cuando se disuelve un soluto no volátil

y no electrolito en un solvente líquido la presión de vapor del disolvente en la

disolución disminuye.

Este abatimiento es una propiedad coligativa que esta en función del número,

y no del tipo de partículas de soluto en la solución. Se insiste que en las

soluciones de gases o líquidos de bajo punto de ebullición (volátiles) tienen

presiones de vapor mas alta que el disolvente puro; por tanto este análisis no

es aplicable a ellas.

Agua Solución de azúcar

Esta presión es menor sobre la solución de azúcar y agua, porque hay

menos moléculas de agua por unidad de área de superficie al evaporarse.

17

La presión de vapor sobre el disolvente en una solución ideal disminuye al

reducir la fracción molar. o

disolventedisolventedisolvente PXP *=

donde Xdisolvente representa la fracción molar del disolvente en la disolución

Po es la presión de vapor de disolvente puro.

Ejemplo

Se tiene azúcar invertida en polvo, un soluto no volátil el cual se disuelve con

117 gramos de agua. Determine el abatimiento de la presión de vapor a 25 ºC

de una solución de azúcar 1.25 m , la presión de vapor del agua pura a 25 ºC

es d e 23.8 torr.

Solución

OHmolesOHgOHmol

OHgdisolventedeMoles

solutodemolesOHdeKg

solutomolesOHg

OHKgOHgsolutodeMoles

22

22

22

22

50.6181

*117

146.025.1*10001*117

==

==

0220.050.6146.0

146.0=

+=solutoX

220.01

==+

disolvente

disolventesoluto

XXX

torrtorrPdisolvente 524.08.23*220.0 ==

4.2 Elevación del punto de ebullición Según la ley de Raoult, la elevación del punto de ebullición de un disolvente

ocasionada por la presencia de un soluto no volátil y no ionizado es

proporcional al número de moles de soluto disueltas en una masa determinada

de disolvente.

mKT bb =∆

Donde ∆Tb representa la elevación del punto de ebullición del disolvente; la m

es la molalidad del soluto y Kb es la constante de proporcionalidad que se

llama constante molal de elevación del punto de ebullición.

18

Disolvente Punto de Ebullición

Kb ( ºC/m)

Punto de Fusión

Kf (ºC/m)

Agua 100 0.512 0 1.86

Benceno 80.1 2.53 5.48 5.12

Ácido acético 118.1 3.07 16.6 3.90

Nitrobenceno 210.88 5.24 5.7 7.00

Fenol 1.82 3.56 43 7.40

Ejemplo Se tiene un extracto acuoso medicinal de 1.25 m . ¿Determine el punto de

ebullición normal ?

Solución

Tomaremos como disolvente al agua por ser acuoso Kb = 0.512 ºC/m así:

Cmolalmolal

CTb º640.025.1*º512.0 ==∆

El punto de ebullición normal del agua pura exactamente de 100 ºC, de

manera que a un atmósfera de esta solución alcanza la ebullición 100 ºC +

0.640 ºC = 100.640 ºC

H2O pura 1 mol de Glucosa en 1 Kg de H2O

19

4.3 Abatimiento del punto de congelación Las moléculas de la mayoría de los líquidos se acercan mas entre si cuando la

temperatura desciende.

Las moléculas en una solución están ligeramente mas separadas entre si, que

en un disolvente puro. En consecuencia la temperatura de la solución debe

abatirse por debajo del punto del punto de congelación del disolvente puro

para congelar.

mKT cc *=∆

Ejemplo Que cantidad de NaCl se debe de añadir a 500 ml de agua , para que la

temperatura descienda a 15 ºC.

Solución

El Kc para el agua es de 1.86 ºC

aguadeKgNaClmolesKT

mc

c /06.886.1

15==

∆=

Asumiendo que la densidad del agua es de 1 g/ml entonces la masa de agua

será de 500 gramos.

NaCLgNaClmolNaClg

OHKgNaClmoles

OHgOHKgOHg 75.235

15.58*06.8*

10001*500

22

22 =

4.4 Presión osmótica La osmosis es el proceso espontáneo por el cual las moléculas de disolvente

atraviesan una membrana semipermeable de una solución de menor

concentración de soluto hacia una solución con mayor concentración de

soluto.

20

La presión osmótica de una solución es la presión que debe aplicarse a una

solución para impedir la osmosis y evitar el flujo del disolvente a trabes de la

membrana semipermeable hacia la solución.

MolaridadenionConcentracVnC

KmolLatmRsoluciondevolumenV

molesdenumeronosmoticapresionlaes

Donde

RTVn

==

====

=

º/*082,0

:π

π

CRT=π Ejemplo Cual es la presión osmótica de una solución de sacarosa que tiene como

densidad 1.34 g/ml a la temperatura de 25 ºC. Esta disuelta con 54 gramos de

sacarosa en 560 gramos de agua.

Solución

Determinando el volumen de solución

solucionL

mlL

soluciongsolucionmlsoluciong

gdisolventesolutoSolucion

458.01000

1*34.1

1*614

61456054

=

=+=+=

moles de soluto

Solución Solvente puro

Solvente puro

Solución

Presión osmótica

Membrana semipermeable

21

sacarosamolsacarosagsacarosamolsacarosag 157.0

3421*54 =

La molaridad será:

LmolesM /34459.0458.0157.0

==

atmKKmolLatm

Lmol 42.8º)27325(*

º*082.0*34459.0 =+=π

5 APLICACIONES INDUSTRIALES

Disoluciones

Dentro de la industria para el control de calidad se muestra la necesidad de

preparar distintas soluciones, así en la fabrica TAQUIÑA para determinar la

dureza del agua necesitan prepara solución de EDTA como método titilación

complexometrico.

En la industria de lácteos como muestra PIL se puede ver para el análisis de

acidez se estandariza soluciones de 0,1 N de HCl y 0.1 N de NaOH.

Solubilidad

Cuando queremos carbonatar un liquido (refresco, cerveza, vinos, etc.)

siempre debemos de enfriar debido a que la solubilidad aumenta en los gases.

22

Propiedades Coligativas Son muy aplicados así los anticongelantes de etilenglicol que abate el punto

de congelación del agua en el radiador del automóvil.

El secado por osmosis aplicado a las frutas de frutas, la purificación del agua

por osmosis inversa, etc.