Editorial Ciencias Mdicas

Datos CIP- Editorial Ciencias Mdicas

Prez Collado, RobertoQumica General / PrezLa Habana: Editorial Ciencias Mdicas, 2007

ISBN: 978-959-212-262-8

Edicin, diseo, ilustraciones, correccin y emplane: Jos Quesada Pantoja

Roberto Prez Collado, Cuba, 2007 Sobre la presente edicin: Editorial Ciencias Mdicas, 2007

Editorial Ciencias MdicasCalle I No. 202 eq. A Lnea, piso 11El Vedado, Ciudad de La Habana, CubaCP 10400

Correo electrnico: ecimed@infomed.sld.cuFax: 833 3063 Tlex: 0511202Telfonos: 832-5338, 832-4519 y 832-4579

Mis sinceros agradecimientos a la mster en cienciasMaritza Vidal Aldana, Jefa del Departamento

de Ciencias Bsicas de la Facultad de Tecnologa de la Salud,por haberme asignado esta tarea y ayudarme en algunas ideas;

a la mster en ciencias Ileana Lpez Lemus, por su valiosa contribucinen la digitalizacin de las figuras que aqu aparecen;

al tcnico Brian Kindeln Iglesias, responsable del Punto de Presencia,por su apoyo constante en la parte tecnolgica de la digitalizacin

de este libro, y a la tcnica Mercedes Prez Cartaya, mi esposa,por su apoyo y estmulo constante en la realizacin de este trabajo.

7NDICE

A los profesores / 11

A los alumnos / 13

Introduccin / 15

Tema 1: Sustancias puras y mezclas / 171.1 Introduccin / 171.2 Sustancias puras. Definicin. Estructura qumica. Propiedades fsicas / 181.3 Mezclas de sustancias. Definicin. Propiedades fsicas / 191.4 Mtodos fsicos de separacin de los componentes de las mezclas: decantacin,

filtracin, vaporizacin y destilacin. Ejemplos prcticos / 201.4.1 Decantacin / 201.4.2 Filtracin / 211.4.3 Vaporizacin / 221.4.4 Destilacin / 22

1.5 Ejercicios / 24Tema 2: Sistemas dispersos / 262.1 Introduccin / 262.2 Sistemas dispersos / 262.3 Tipos de sistemas dispersos: suspensiones, coloides y disoluciones verdaderas.

Caractersticas / 272.3.1 Las suspensiones o suspensiones groseras / 27

2.3.1.1 Las emulsiones / 282.3.2 Los coloides o dispersiones coloidales / 282.3.3 Las disoluciones verdaderas o disoluciones / 28

2.4 Disoluciones verdaderas. Clasificacin / 29

82.4.1 Caractersticas de las disoluciones ideales / 302.5 Mecanismos y cambios energticos en el proceso de disolucin / 30

2.5.1 Mecanismo en el proceso de disolucin / 302.5.2 Relacin entre la naturaleza del soluto y del disolvente con la solubilidad / 302.5.3 Cambios energticos en el proceso de disolucin / 31

2.6 Curvas de solubilidad / 322.7 Formas de expresar la concentracin de las disoluciones / 34

2.7.1 Disoluciones porcentuales / 342.7.1.1 Tanto por ciento en masa de soluto de una disolucin / 342.7.1.2 Tanto por ciento en volumen de soluto de una disolucin / 36

2.7.2 Molalidad / 372.7.3 Concentracin de cantidad de sustancia / 382.7.4 Concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes / 39

2.8 Ejercicios / 41Tema 3: Propiedades coligativas / 453.1 Introduccin / 453.2 Propiedades coligativas / 463.3 Ley de Raoult / 463.4 Difusin / 473.5 smosis. Definicin. Presin osmtica / 47

3.5.1 smosis. Definicin / 483.5.2 Presin osmtica / 49

3.6 Leyes de la presin osmtica / 503.7 Presin osmtica y procesos biolgicos / 503.8 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos / 503.9 Gradiente de concentracin / 51

3.9.1 Transporte activo / 513.9.2 Transporte pasivo / 52

3.10 Ejercicios / 53Tema 4: Cintica qumica / 554.1 Introduccin / 554.2 Velocidad de la reaccin qumica / 56

4.2.1 Velocidad media de reaccin / 564.2.2 Mtodos ms comunes empleados para determinar la variacin

de la concentracin durante una reaccin qumica / 574.3 Aspectos fundamentales de la teora de las colisiones / 574.4 Aspectos fundamentales de la teora del complejo activado / 584.5 Factores que influyen en la velocidad de las reacciones qumicas / 60

4.5.1 Naturaleza de las sustancias reaccionantes / 604.5.2 Superficie de contacto entre las sustancias reaccionantes / 61

94.5.3 Concentracin o presin de las sustancias reaccionantes / 614.5.3.1 Mecanismo de reaccin / 614.5.3.2 Paso determinante de la velocidad de la reaccin / 624.5.3.3 Expresin cintica de la velocidad / 624.5.3.4 Ecuacin global, neta o total del proceso / 624.5.3.5 Variacin de la velocidad con la concentracin / 62

4.5.4 Temperatura / 624.5.5 Catalizadores / 63

4.5.5.1 Enzimas / 644.5.5.2 Inhibidores / 64

4.5.6 Energa radiante o luminosa / 644.6 Ejercicios / 64Tema 5: Equilibrio qumico / 685.1 Introduccin / 685.2 Definicin de trminos / 695.3 Equilibrio qumico / 705.4 Caractersticas del estado de equilibrio qumico / 715.5 Constante de equilibro en funcin de las concentraciones / 72

5.5.1 Interpretacin del valor de la constante de equilibrio en funcinde las concentraciones / 72

5.6 Electrlitos. Definicin / 735.7 Tipos de electrlitos / 73

5.7.1 Clasificacin de los electrlitos segn su fortaleza / 735.7.2 Clasificacin de los electrlitos segn solubilidad / 74

5.8 Reglas de fortaleza y solubilidad / 745.8.1 Formulacin inica de los electrlitos en disolucin acuosa / 75

5.9 Constante de equilibrio de electrlitos dbiles y solubles / 755.9.1 Interpretacin del valor de la constante de equilibrio

de electrlitos dbiles y solubles / 775.10 Electrlitos poco solubles / 78

5.10.1 Constante del producto de solubilidad / 785.10.2 Interpretacin del valor de la constante del producto de solubilidad / 795.10.3 Aplicaciones de la constante del producto de solubilidad (Kps) / 79

5.11 Medida de la acidez de las disoluciones / 815.11.1 ndice de acidez, potencial de hidrgeno, pH / 815.11.2 Clasificacin de las disoluciones, segn el valor de las concentraciones

relativas de las especies presentes y segn el valor de pH / 825.11.3 Mtodos experimentales para la determinacin del pH / 845.11.4 Importancia de la determinacin de pH en tecnologa de la salud / 85

5.12 Hidrlisis salina / 86

10

5.12.1 Hidrlisis de una sal procedente de un cido dbil y una base fuertey su disolucin es bsica / 86

5.12.2 Hidrlisis de una sal procedente de un cido fuerte y base dbily su disolucin es cida / 87

5.12.3 Hidrlisis de una sal procedente de cido dbil y base dbily la disolucin puede ser cida, bsica o neutra / 87

5.12.4 Caso de una sal procedente de cido fuerte y base fuerte,que no provoca hidrlisis, aunque la disolucin es neutra / 88

5.13 Ejercicios / 89Tema 6: Procesos de oxidacin-reduccin / 936.1 Introduccin / 936.2 Conceptos bsicos de oxidacin-reduccin / 93

6.2.1 Nmero, grado o estado de oxidacin / 946.2.2 Reglas para determinar los nmeros de oxidacin de los elementos

en una especie qumica / 946.2.3 Clasificacin de las reacciones qumicas, atendiendo al criterio

de la variacin o no en el nmero de oxidacin / 956.3 Potencial estndar de electrodo / 98

6.3.1 Tabla de potenciales estndar de electrodo / 986.3.1.1 Caractersticas de la tabla de potenciales estndar de electrodo / 100

6.4 Aplicaciones de la tabla de potenciales estndar de electrodo / 1026.5 Aplicacin de las reacciones redox en el anlisis qumico / 1026.6 Aplicacin de las reacciones redox en algunos procesos biolgicos / 1026.7 Ejercicios / 103Apndice 1: Tabla Peridica de 18 columnas / 105

Apndice 2: Smbolos y nombres de los elementos qumicos / 106

Bibliografa / 107

11

A LOS PROFESORES

Escribir un libro de texto para el subsistema de salud en la Enseanza Supe-rior, no resulta tarea fcil; requiere dedicacin, esfuerzo y por sobre todas lascosas: tiempo. Hemos puesto, adems, toda nuestra experiencia y nuestrosconocimientos en funcin del futuro xito de este libro. Esperamos con deseoslograr esta ansiada meta.Este libro les ser muy til como gua, conjuntamente con los libros de con-sulta para preparar los contenidos fundamentales que deben impartir en susclases. Comprende temas sencillos y esenciales de la Qumica General y en sudesarrollo hemos puesto el mayor empeo en presentar los diferentes temascon un enfoque lo ms moderno posible y con un estricto rigor cientfico.Es deber de todo profesor hacer comprender a los alumnos que se estudia porel placer de aprender y por la obligacin moral de capacitarse para servir ala sociedad, y no por el simple hecho de tener que aprobar una asignatura.Para lograr el ms alto objetivo que se propone la Educacin Superior, lalabor que realicemos los profesores debe estar dirigida no solo a explicar conla mxima exactitud cientfica la asignatura, sino que debemos aprovechar laoportunidad para desarrollar en nuestros educandos sentimientos de altruis-mo, solidaridad, calidad humana, as como el amor a la naturaleza, al traba-jo y a la justicia social.Ponemos en ustedes, compaeros profesores, toda nuestra confianza, con laseguridad de que la labor que desarrollen no solo contribuir a una mejorenseanza de la Qumica General, sino tambin a la formacin integral de lapersonalidad de nuestros educandos.Finalmente, queremos agradecer de antemano tengan la amabilidad de ha-cernos llegar sus crticas, sugerencias y recomendaciones, seguro de que nossern muy valiosas para mejorar futuras ediciones.

13

A LOS ALUMNOS

Hemos escrito este libro de texto pensando en ustedes, que en un futuro, nomuy lejano, formarn parte del grupo de hombres y mujeres que regirn losdestinos de nuestro pas.Nuestro principal objetivo ha sido que tengan en su poder un libro de Qumi-ca General, que sirva de base a los estudiantes de la carrera universitariaLicenciatura en Tecnologa de la Salud, adems, que posean una slida basede conocimientos qumicos, que les permita comprender futuras asignaturasrelacionadas con esta, como son Qumica Orgnica y Bioqumica.Este libro comprende los captulos ms elementales e importantes de la Qu-mica General, por lo que estudiarlo con inters significa reafirmar y ampliaralgunos temas que ya conocen de la enseanza preuniversitaria. Estudiarnen l los temas: Sustancias puras y mezclas, Sistemas dispersos, Pro-piedades coligativas, Cintica qumica, Equilibrio qumico y Proce-sos de oxidacin-reduccin. Con la excepcin del tema Propiedadescoligativas, todos los dems han sido estudiados, el primero en la Ensean-za Secundaria Bsica y los otros cuatro en la Enseanza Preuniversitaria.Les pedimos y les recomendamos que en su estudio individual y colectivo sepropongan contestar y resolver las preguntas y problemas que se plantean enel texto.Sabemos que van a encontrar algunas dificultades, pero eso no nos preocupa,porque ustedes sern capaces de enfrentarlas valientemente y que en definiti-va saldrn vencedores.Los avances tecnolgicos del mundo moderno exigen de un personal con unaelevada calificacin cientfico-tcnica. Contamos con ustedes para formarese personal calificado que ayudar con todo entusiasmo a construir la nuevasociedad.

TEMA 1SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS

1.1 Introduccin

La naturaleza lo es todo. La naturaleza en general y nuestro planeta enparticular, son como incansables laboratorios, donde constantemente se estnproduciendo cambios, por la modificacin de las sustancias.

En el transcurso de este tema usted podr responder varias preguntas, rela-cionadas con su especialidad, tales como: Cmo contribuye la qumica albienestar y progreso de la humanidad? Qu es una sustancia pura y una diso-lucin? Cmo se pueden caracterizar y diferenciar las sustancias? Cmopueden separarse los componentes de las mezclas?, entre otras interrogantes.

Federico Engels defini la qumica como: Ciencia sobre los cambios cua-litativos que se producen como consecuencia de los cambios cuantitativos enla composicin de las sustancias.

Lenin formul una definicin filosfica generalizada de materia: La ma-teria es una categora filosfica para designar la realidad objetiva dada al hom-bre en sus sensaciones, calcada, fotografiada y reflejada por nuestras sensa-ciones y existente independientemente de ellas.

La materia est en todo y todo lo que existe es materia. Se encuentra siem-pre en constante cambio, movimiento y transformacin en el tiempo y en elespacio. Se nos presenta en la naturaleza en distintas variedades y formas. Unade las variedades fundamentales de la materia es la sustancia.

La sustancia es todo aquello de lo que estn constituidos los cuerpos. Es el17

tipo, forma o manifestacin de la materia, que es objeto de estudio de la qu-

mica y que se caracteriza por poseer masa inerte, es decir, una masa que puede18

ser medida en estado de reposo relativo. Son sustancias los tomos y lasmolculas. Por ejemplo: metales, agua, cloruro de sodio, entre otros.

Qu sucede con las sustancias en la naturaleza?Por lo general, no se encuentran totalmente puras, sino mezcladas con

otras sustancias, de aqu que empleemos frecuentemente los trminos sustan-cia pura y mezcla de sustancia.

1.2 Sustancias puras. Definicin. Estructura qumica.Propiedades fsicas

Sustancia pura es una clase de sustancia de fase homognea, de composi-cin qumica uniforme, definida e invariable. Es una sustancia pura aquellaque no est mezclada con otra u otras sustancias y que posee propiedadesconstantes (no dependen de la masa, como la densidad), a una temperatura ypresin determinadas o a una de estas dos magnitudes fsicas.

Las sustancias puras son materiales ptimamente homogneos con res-pecto al examen ptico de sus diferentes porciones, los cuales estn constitui-dos por un componente nico.

Por lo general, cuando en qumica se hace referencia a las sustancias, sesupone que estas son sustancias puras. Por ejemplo: una determinada masa deagua puede considerarse pura para un medicamento e impura para determinarsu conductividad elctrica.

La estructura qumica de las sustancias determina sus propiedades y estasa su vez determina sus aplicaciones, por lo que existe una estrecha relacinestructura-propiedad-aplicacin, lo que se demuestra en el siguiente ejemplo,que ilustramos con el caso del grafito.

Estructura: est formado por capas hexagonales paralelas, unidas porenlaces muy dbiles, las cuales pueden deslizarse unas sobre otras.

Propiedad: deja un trazo negro cuando se frota sobre una superficie yes untuoso al tacto.

Aplicacin: para las puntas de los lpices y como lubricante.

Las propiedades fsicas especficas de las sustancias puras permitencaracterizarlas y establecer semejanzas y diferencias entre ellas. Por ejemplo:

color, olor, sabor, estado de agregacin, solubilidad, densidad, conductividad19

trmica, conductividad elctrica, brillo, transparencia, dureza, maleabilidad,ductibilidad, estructura cristalina, temperaturas de fusin y ebullicin, entre otras.

Una propiedad no siempre es suficiente para caracterizar una sustancia ydistinguirla de otra. Por ejemplo: el estado de agregacin slido, el color blan-co y la solubilidad en el agua, entre otras, son propiedades comunes a numero-sas sustancias, como ocurre con la sacarosa y el cloruro de sodio.

Las sustancias puras se clasifican en simples y compuestas:

Las sustancias simples: son las formadas por partculas de un solo ele-mento qumico. Por ejemplo: hierro, carbono, dihidrgeno, trioxgeno,tetrafsforo, octazufre, entre otras.

Las sustancias compuestas: son las formadas por partculas de ms deun elemento qumico. Por ejemplo: agua, amonaco, dixido de carbo-no, bicarbonato de sodio, sacarosa, entre otras.

1.3 Mezclas de sustancias. Definicin. Propiedades fsicas

Mezcla es el resultado de unir dos o ms sustancias, sin que ocurra la trans-formacin de estas en otras. Se caracteriza porque su composicin no es fijay puede ser variada. Por ejemplo: aire, petrleo, leche, minerales, entre otras.Las propiedades fsicas de las mezclas dependen de las sustancias que la

componen y de la proporcin en que ellas se encuentran.Las propiedades de las sustancias que constituyen una mezcla casi siem-

pre se conservan en ellas.Las mezclas se clasifican en mezclas mecnicas y disoluciones.

Las mezclas mecnicas: tienen aspecto final heterogneo. Por ejem-plo: arena en agua, queroseno y etanol, aceite y vinagre, entre otras.

Las disoluciones: tienen aspecto final homogneo. Por ejemplo: cloru-ro de sodio en agua, etanol en agua, amonaco en agua, entre otras.

Es bueno destacar que:

1. Las sustancias puras tienen frmulas qumicas.2. Las mezclas de sustancias no tienen frmulas qumicas.

1.4 Mtodos fsicos de separacin de los componentes20

de las mezclas: decantacin, filtracin, vaporizaciny destilacin. Ejemplos prcticos

La separacin de las sustancias que forman parte de una mezcla es unaoperacin importante, til y necesaria en el hogar, el laboratorio y la industria.

En ocasiones no es necesario obtener una sustancia dada, sino separarla dela mezcla en que se encuentra.

Los componentes de las mezclas se separan teniendo en cuenta algunas desus propiedades, tales como el estado de agregacin, la solubilidad en agua oen otro disolvente y la temperatura de ebullicin.

Entre las operaciones ms frecuentes que se realizan para separar los com-ponentes de una mezcla se encuentran:

Decantar. Filtrar. Vaporizar. Destilar.

Conociendo los componentes de una mezcla y las propiedades de estos,podemos predecir cmo separarlos y despus comprobarlo en la prctica.

1.4.1 Decantacin

Consiste en trasvasar un lquido a un recipiente para separarlos de uno oms componentes slidos o lquidos de la mezcla.

Se realiza para separar el componente lquido de una mezcla, de otro sli-do o lquido prcticamente insoluble en aquel y que transcurrido un tiem-po relativamente breve se deposita en el fondo del recipiente.

La decantacin puede realizarse a travs de dos procedimientos, en depen-dencia del estado de agregacin de los componentes de la mezcla, de la si-guiente forma:

Slido y lquido: prcticamente insolubles, donde el slido se depositaen el fondo del recipiente, transcurrido un breve tiempo. Por ejemplo:arena y agua (figura 1.1).

21

Figura 1.1 Decantacin de slido y lquido. No miscibles.

Lquidos no miscibles: prcticamente insolubles entre s, donde uno esla capa superior y el otro es la capa inferior, siendo este un caso par-ticular de la decantacin por ser necesario el empleo del embudo deseparacin o embudo de decantacin. Por ejemplo: keroseno y agua(figura 1.2).

Figura 1.2 Decantacin de dos lquidos. No miscibles.

1.4.2 Filtracin

Consiste en trasvasar un lquido a un recipiente, a travs de un filtro, parasepararlo de uno o ms componentes slidos de la mezcla.

Arena

Agua

KerosenoAgua

Parte de agua

Se realiza para separar el componente lquido de una mezcla de otro slido,22

prcticamente insoluble en aquel y cuyas partculas flotan en su superficie ose mantienen en suspensin durante un tiempo relativamente prolongado.

En el laboratorio generalmente se utiliza un papel de filtro para realizar lafiltracin. Por ejemplo: aserrn y agua, donde el slido es prcticamente inso-luble en el lquido y flota en la superficie del agua (figura 1.3).

Figura 1.3 a) Embudo con papel de filtro. b) Filtracin.

1.4.3 Vaporizacin

Consiste en el paso de un lquido al estado gaseoso para separarlos de unoo ms componentes slidos de la mezcla.

Se realiza para separar uno o ms componentes slidos, generalmente di-sueltos, del componente lquido de una mezcla, y se basa en las diferentestemperaturas de ebullicin de las sustancias que constituyen la mezcla.Puede realizarse a temperatura ambiente o por calentamiento y puede eje-

cutarse en una cpsula de porcelana o en un vaso de precipitado. Por ejemplo:agua de mar, pues se recogen las sustancias slidas disueltas en ella y el aguase evapora por ebullicin (figura 1.4).

1.4.4 Destilacin

Consiste en vaporizar, por calentamiento, uno o ms componentes lqui-dos de una mezcla, para despus condensar esos vapores y recoger los lqui-dos a diferentes temperaturas de ebullicin.

Mezcla afiltrar

Papel defiltro

Filtradoa) b)

23

Figura 1.4 a) Vaporizacin con una cpsula de porcelana.b) Vaporizacin con un vaso de precipitado.

Se realiza, por lo general, para separar el o los componentes lquidos deuna mezcla en la que hay una o ms sustancias disueltas slidas o lquidasy se basa en las diferentes temperaturas de ebullicin de las sustancias queconstituyen la mezcla.Durante la destilacin ocurren dos cambios de estado: La evaporacin del lquido. La condensacin del vapor.

Por ejemplo: etanol y agua, donde el etanol ebulle a 78,3 C y el aguaebulle a 100 C (figura 1.5).

Figura 1.5 Destilacin.

a) b)

Soporte

Baln

Termmetro

Mezcla adestilar

Agua

Condensador

Aguadestilada

Agua fra

24

Tanto la vaporizacin como la destilacin se llevan a cabo, fundamental-mente, para separar los componentes de una disolucin.

En muchas ocasiones a una mezcla de componentes slidos se le aade unlquido para poderlos separar, obtenindose una nueva mezcla. En tales casosla solubilidad de los slidos en los lquidos debe ser bastante diferente.

1.5 Ejercicios

1. Clasifique los siguientes trminos en sustancias puras o mezclas de sus-tancias:a) Sacarosa.b) Cloruro de sodio.c) Tintura de yodo.d) Bauxita.e) Metano.f) Bronce.g) Alusil.h) Sangre.i) Vinagre.j) Vidrio.

2. Existen varios millones de sustancias, sin embargo, una no es igual a laotra. Argumente y ejemplifique.

3. Qu diferencia existe entre una sustancia pura y una mezcla? Mencionetres ejemplos de cada una.

4. Nombre el mtodo que se emplea para separar los componentes de lassiguientes mezclas de sustancias:a) Aceite y vinagre.b) Slido ms denso que el lquido.c) Sal de cocina y agua.d) Lquidos solubles entre s.e) Lechada de cal y agua.f) Slido soluble en el lquido.g) Alcohol y agua.h) Slido menos denso que el lquido.i) Tiza en polvo y alcohol.j) Lquidos no miscibles entre s.

5. Se tiene una mezcla de arena, virutas de corcho y sal de cocina, en peque-as cantidades.a) Qu es lo primero que se debe hacer para separarlos?b) Mencione las operaciones en el orden en que las realiz para separar

los componentes.c) En qu propiedades de los componentes de esta mezcla se bas para

separarlos como usted propuso?25

TEMA 2SISTEMAS DISPERSOS

2.1 Introduccin

En qumica es de gran importancia el estudio acerca de los sistemas dis-persos, especialmente de las disoluciones, ya que gran cantidad de sustanciasno son empleadas como sustancias puras, sino preferentemente en disolucin.

Durante el estudio de este tema podremos dar respuestas a preguntas comolas siguientes:

Cmo se caracterizan los diferentes tipos de sistemas dispersos? Por qu unas sustancias se mezclan formando disoluciones y otras no? Cules son las diferentes formas de expresar la concentracin de las

disoluciones?

2.2 Sistemas dispersos

Para el desarrollo del tema es necesario definir y explicar algunos concep-tos que sern de gran utilidad en el estudio del mismo.

Propiedades intensivas: son las propiedades fsicas de las sustanciasque no dependen de la masa. Por ejemplo: ndice de refraccin, densi-dad, entre otras.

Propiedades extensivas: son las propiedades fsicas de las sustanciasque su valor numrico depende de la masa. Por ejemplo: capacidadcalorfica, peso, entre otras.26

Fase: es cualquier parte homognea y fsicamente distinta de un siste-27

ma, separadas de las otras por superficies lmites definidas y en lascuales las propiedades intensivas son iguales.

Nmero de componentes: est dado por el menor nmero de sustanciasindependientes por medio de las cuales se puede expresar la composi-cin de cualquier fase del sistema. Por ejemplo:

Sistema formado por Nmeros de fases Nmero de componentes

Hielo, agua y su vapor 3 1

Agua, etanol y sacarosa 1 3

Sistemas dispersos o dispersin: es la mezcla de dos o ms sustanciasque se produce cuando una sustancia se distribuye en el seno de la otra uotras. Por ejemplo: arena en agua, cloruro de sodio en agua, gelatina,entre otros.En un sistema disperso existen dos fases: la fase dispersa y la fasedispersante. Fase dispersa: es aquella que se encuentra distribuida en el seno

de la otra. Fase dispersante: es aquella en la cual se distribuye la fase dis-

persa.Por ejemplo: en un sistema formado por sacarosa y agua, la sacarosa esla fase dispersa y el agua es la fase dispersante.

2.3 Tipos de sistemas dispersos: suspensiones, coloidesy disoluciones verdaderas. Caractersticas

Existen diferentes tipos de sistemas dispersos que usualmente se clasifi-can en suspensiones (incluye las emulsiones como caso particular), coloides ydisoluciones verdaderas.

2.3.1 Las suspensiones o suspensiones groseras

Son mezclas heterogneas en que el dimetro de la partcula dispersa esmayor que 105 cm, la fase dispersa es slida, observable a simple vista o conmedios pticos, y la fase dispersante es lquida.

Son sistemas inestables, donde la fase dispersa y la fase dispersante pue-28

den ser separadas por filtracin o decantacin. Por ejemplo: magma de mag-nesia, que es una suspensin de hidrxido de magnesio, que se utiliza comolaxante y para reducir la acidez estomacal.

2.3.1.1 Las emulsiones

Son un caso particular de las suspensiones, compuestas por dos faseslquidas no miscibles, una de las cuales se encuentra en forma de gotas pe-queas. No son estables y se destruyen al cabo de cierto tiempo. Por ejem-plo: una mezcla de queroseno y agua que se agite constituye una emulsin.

2.3.2 Los coloides o dispersiones coloidales

Son un estado intermedio entre las suspensiones y las disoluciones. Sonmezclas heterogneas en que el dimetro de la partcula dispersa oscila de107-105 cm, la partcula dispersa es observable con algn medio ptico comoel ultramicroscopio. Difunden y sedimentan muy lentamente. Atraviesan elpapel de filtro ordinario y presentan efecto Tyndall. Los organismos contienencomplejos sistemas coloidales, incluyendo fluidos fisiolgicamente importantescomo la sangre y los lquidos intracelulares y extracelulares. Por ejemplo:gelatina, clara de huevo, entre otras.

2.3.3 Las disoluciones verdaderas o disoluciones

Son mezclas homogneas, es decir, formadas por una sola fase, de dos oms sustancias cuya composicin puede variar continuamente dentro de cier-tos lmites, el dimetro de la partcula dispersa es del orden de 108 cm, la cualno es observable ni con medios pticos. Son sistemas estables y transparentes,donde la fase dispersa llamada soluto no se distingue de la fase dispersantellamada disolvente. Las partculas de la fase dispersa atraviesan el papel defiltro y no sedimentan. Por ejemplo: sacarosa en agua.

En algunos casos se hace difcil distinguir entre suspensiones, coloides ydisoluciones, porque las propiedades atribuidas a cada clase de las estableci-das se van modificando al variar las condiciones (tabla 2.1).

No hay un grado de divisin que delimite con rigor a las suspensiones delos coloides y a estos de las disoluciones.

Tabla 2.1 Algunas propiedades de los sistemas dispersos29

2.4 Disoluciones verdaderas. Clasificacin

Son sistemas dispersos formados por dos o ms sustancias qumicas yasean moleculares, inicas o atmicas, que constituye una sola fase, es decir,un todo homogneo con idnticas propiedades intensivas en todas sus partes,cuya composicin puede variar continuamente dentro de lmites permisibles.

Clasificacin de las disoluciones, atendiendo al estado de agregacin delos componentes antes de constituirse la disolucin:

1. Gas en gas. Por ejemplo: dinitrgeno en dioxgeno.2. Lquido en gas. Por ejemplo: dihidrgeno recogido en agua.3. Slido en gas. Por ejemplo: diyodo sublimado en el aire.4. Gas en lquido. Por ejemplo: metanal en agua.5. Lquido en lquido. Por ejemplo: cido etanoico en agua.6. Slido en lquido. Por ejemplo: glucosa en etanol.7. Gas en slido. Por ejemplo: dihidrgeno en platino.8. Lquido en slido. Por ejemplo: mercurio en cobre.9. Slido en slido. Por ejemplo: oro en plata.

Dispersin

Propiedad

Suspensin

Coloide

Disolucin

Clasificacin ptica Heterognea Heterognea Homognea Partculas de la fase dispersa

Observable a simple vista o con medios pticos

Observable con algn medio ptico, como el ultramicroscopio

No observable ni con medios pticos

Dimetro de la partcula dispersa

Mayor que 105 cm

De 107-105 cm Es del orden de 108 cm

Estabilidad del sistema

Inestable Relativamente estable Estable

Efecto Tyndall No presenta S presenta No presenta Comportamiento de la fase dispersa frente al papel de filtro ordinario

No lo atraviesa Lo atraviesa Lo atraviesa

Clasificacin de las disoluciones atendiendo al estado de agregacin del

sistema resultante (disolucin):

1. Slidas. Por ejemplo: aleaciones.2. Lquidas. Por ejemplo: agua de mar.3. Gaseosas. Por ejemplo: aire.Las disoluciones lquidas, especialmente las de slido en lquido, son las

ms frecuentes y las ms abundantes en qumica.

2.4.1 Caractersticas de las disoluciones ideales

Las interacciones soluto-soluto, disolvente-disolvente y soluto-disol-vente tienen iguales intensidades.

Sus componentes pueden mezclarse entre s en cualquier proporcin,la solubilidad de cada uno de ellos en el otro es ilimitada.

No se consume ni se libera energa al formar la disolucin. No hay cambio de volumen al mezclar los componentes de la disolucin.Por ejemplo: disoluciones muy diluidas y cuando sus componentes sonsimilares desde el punto de vista estructural.

2.5 Mecanismos y cambios energticos en el procesode disolucin

2.5.1 Mecanismo en el proceso de disolucin

Los factores internos que influyen en la disolucin de un slido en unlquido son:

Interacciones soluto-soluto. Interacciones disolvente-disolvente. Interacciones soluto-disolvente. Choques de las partculas del disolvente con la superficie del soluto. Velocidad media de las partculas del soluto y del disolvente (temperatura).

2.5.2 Relacin entre la naturaleza del soluto y del disolventecon la solubilidad

La naturaleza del soluto y del disolvente son determinantes en la solubilidadde un slido en un lquido.30

Para conocer si dos o ms sustancias son solubles o poco solubles debe-31

mos conocer las naturalezas del o de los solutos y la naturaleza del disolvente(tabla 2.2).

Tabla 2.2 Solubilidad de las sustancias en dependencia de la naturalezadel soluto y del disolvente

Naturaleza del soluto

Naturaleza del disolvente Solubilidad Ejemplos

Inico Molecular polar Soluble Cloruro de sodio en agua Molecular polar Molecular polar Soluble Sacarosa en etanol Molecular apolar Molecular apolar Soluble Diyodo en benceno Inico Molecular apolar Poco soluble Nitrato de potasio en

benceno Molecular apolar Molecular polar Poco soluble Dibromo en etanol

Recordamos que empleamos los trminos soluble y poco soluble, ya queel trmino insoluble se encuentra en desuso, por no existir la insolubilidadabsoluta.

2.5.3 Cambios energticos en el proceso de disolucin

La entalpa de disolucin (HD) es el calor involucrado cuando se disuel-ve un mol de soluto en suficiente cantidad de disolvente para formar una diso-lucin de concentracin dada a una temperatura y presin determinadas.

En dependencia del signo del valor de la entalpa de disolucin, el procesosegn el criterio energtico se clasifica en endotrmico o exotrmico.

Proceso endotrmico:Soluto + Disolvente Disolucin HD > 0Al aumentar la temperatura, aumenta la solubilidad, ya que absorbe ener-

ga en forma de calor y el recipiente se enfra.

Proceso exotrmico:Soluto + Disolvente Disolucin HD < 0Al aumentar la temperatura, disminuye la solubilidad, ya que desprende o

libera energa en forma de calor y el recipiente se calienta.

2.6 Curvas de solubilidad32

Las curvas de solubilidad son las grficas que expresan el cambio de lasolubilidad, son diferentes para cada sustancia, en relacin con la variacin dela temperatura.

Se construyen utilizando un sistema de ejes coordenados, donde: En el eje de las X (abscisas) consideramos las temperaturas. En el eje de las Y (ordenadas) aparecen los gramos de sustancia anhidra

disueltos por cada 100 g de agua.

El coeficiente de solubilidad o simplemente solubilidad (S): es la cantidadde gramos de soluto anhidro que saturan 100 g de agua a una temperaturadeterminada. Se expresa en gramos (g). Por ejemplo: sea una sustancia hipot-tica cualquiera A de la que se conocen experimentalmente sus coeficientes desolubilidad a diferentes temperaturas:

Temperatura (C)

Solubilidad (g)

0 5 10 10 20 15 30 20 40 25

Al representar estos datos en un sistema de ejes coordenados se obtiene lacurva de solubilidad de dicha sustancia (figura 2.1).

El punto W representa una disolucin no saturada porque contiene menorcantidad de gramos de soluto anhidro que el que le corresponde a la disolucinsaturada a esa temperatura. Observe que contiene 20 g de soluto anhidro porcada 100 g de agua a 40 C y a esta temperatura la disolucin admite 25 g desoluto anhidro.

Por lo tanto, todos los puntos por debajo de la curva de solubilidad repre-sentan disoluciones no saturadas.

El punto X representa una disolucin saturada porque en la misma existeun equilibrio dinmico entre el soluto disuelto y el exceso de soluto no disuel-to a una temperatura dada, por lo tanto, no aumentar ms la masa de soluto

33

disuelto, ni disminuir la masa de soluto sin disolver, por lo que los procesosde disolucin y cristalizacin transcurren a la misma velocidad y podemosrepresentarlo por:

DisolucinSoluto slido Soluto disuelto

CristalizacinObserve que este punto contiene 20 g de soluto anhidro por cada 100 g de

agua a 30 C.Por lo tanto, todos los puntos que aparecen en la curva de solubilidad re-presentan disoluciones saturadas.El punto Y representa una disolucin sobresaturada porque contiene ma-

yor cantidad de gramos de soluto anhidro que el que le corresponde a la diso-lucin saturada a esa temperatura. Observe que contiene 20 g de soluto anhidropor cada 100 g de agua a 20 C y a esta temperatura la disolucin saturadaadmite 15 g de soluto anhidro.

Por lo tanto, todos los puntos por encima de la curva de solubilidad repre-sentan disoluciones sobresaturadas.

Figura 2.1 Curva de solubilidad de una sustancia hipottica A.

Solubilidadg de soluto anhidro100 g de agua

A

30

25

Y X W20

15

10

5

0 10 20 30 40 T (C).

Z

Si partiendo de la disolucin representada por el punto X, se enfra brusca-34

mente y agitando, comienza la cristalizacin. La concentracin de la disolu-cin decrece pasando por una sucesin de disoluciones saturadas y al alcanzarla temperatura de 20 C habr cristalizado el exceso de soluto disuelto (5 g) yla disolucin representada por el punto Z estar saturada.

2.7 Formas de expresar la concentracin de las disoluciones

La concentracin de una disolucin: es el trmino que se emplea paraexpresar la relacin que existe entre la cantidad de soluto disuelto en una de-terminada cantidad de disolvente o contenido en una determinada cantidad dedisolucin.

Las relaciones cuantitativas que se emplean para expresar la concentra-cin de una disolucin estn dadas como:

Cantidad de soluto en una cantidad de disolvente. Por ejemplo:molalidad.

Cantidad de soluto en una determinada cantidad de disolucin. Porejemplo: Disoluciones porcentuales. Concentracin de cantidad de sustancia. Concentracin de cantidad de sustancia en equivalente.

Los nombres y smbolos de las magnitudes, as como los smbolos de lasunidades de medidas, que emplearemos en este tema se detallan en la tabla2.3, la cual resulta necesaria conocer para despus poder interpretar las frmu-las y resolver los problemas de clculos relacionados con las diferentes for-mas de expresar la concentracin de las disoluciones.

2.7.1 Disoluciones porcentuales

2.7.1.1 Tanto por ciento en masa de soluto de una disolucinLa fraccin msica: es la relacin que existe entre la masa de soluto disuelto y

la masa total de disolucin. Toma valores mayores que cero y menores que uno.

)D(m)x(m

x =

Tabla 2.3 Magnitudes y unidades de medidas relacionadas con las formas35

de expresar la concentracin de las disoluciones

Nombre de la magnitud Smbolo de la magnitud

Smbolo de la unidad

Masa de soluto m(X) g Masa de disolvente m(d) g* Masa de disolucin m(D) g Fraccin msica x

Tanto por ciento en masa de soluto x 100 %

Volumen de soluto V(X) L Volumen de disolucin V(D) L Fraccin volumtrica x Tanto por ciento en volumen de soluto x 100 %

Cantidad de sustancia de soluto n(X) mol

Masa molar del soluto M(X) g mol-1 Molalidad b(X/d) mol kg-1 Concentracin de cantidad de sustancia c(X) mol L

-1

Nmero de equivalencia z* Cantidad de sustancia en equivalentes n(X/z*) mol

Masa molar en equivalentes del soluto M(X/z*) g mol

-1

Concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes c(X/z*) mol L

-1

* En el caso de la molalidad se emplea kg.

El tanto por ciento en masa de soluto de una disolucin: es la fraccin msicamultiplicada por 100. Toma valores mayores que cero y menores que cien.

La masa de disolucin es la suma de las masas de soluto y de disolventem(D) = m(X) + m(d).

Por ejemplo: determine el tanto por ciento en masa de soluto de una diso-lucin que contiene 30 g de cloruro de sodio disueltos en 270 g de agua.

Incgnita:36

NaCl 100 = ?

Datos:m(NaCl) = 30 gm(H2O) = 270 gClculo auxiliar:m(D) = m(NaCl) + m(H2O)m(D) = 30 g + 270 gm(D) = 300 gFrmula:

)D(m)NaCl(mNaCl =

Sustitucin:

1,0g300

g30NaCl ==

Resolucin:NaCl 100 = 0,1 100 = 10 %

Respuesta:El tanto por ciento en masa de soluto de esta disolucin es 10 %.

2.7.1.2 Tanto por ciento en volumen de soluto de una disolucinLa fraccin volumtrica: es la relacin que existe entre el volumen de

soluto y el volumen total de la disolucin. Toma valores mayores que cero ymenores que uno.

)D(V)X(V

x =

El tanto por ciento en volumen de soluto de una disolucin: es la fraccinvolumtrica multiplicada por 100. Toma valores mayores que cero y menoresque cien.

Por ejemplo: se desean preparar 2,5 L de disolucin al 6 % en volumen decido actico, lo que es conocido como vinagre. Qu volumen de cido ac-tico ser necesario emplear?

Incgnita:37

V(CH3-CO2H) = ?Datos:V(D) = 2,5 LCH3 CO2H 100 = 6 %CH3 CO2H = 0,06Frmula:

)D(V)HCOCH(V

HCOCH 2323 =

Despeje:V(CH3 CO2H) = CH3 CO2H V(D)Sustitucin:V(CH3 CO2H) = 0,06 2,5 LResolucin:V(CH3 CO2H) = 0,15 LRespuesta:Debe emplearse 0,15 L de cido actico.

2.7.2 Molalidad

La molalidad: es la relacin que existe entre la cantidad de sustancia decualquier soluto disuelto y la masa de disolvente, expresada esta ltima enkilogramos.

)d(m)X(n)d/X(b =

)x(n)X(m)X(M =

)d(m)X(M)X(m)d/X(b =

Por ejemplo: determine la masa de nitrato de potasio (KNO3)que es nece-saria para preparar una disolucin de concentracin 2 mol kg1, si se disponede 600 g de agua y la masa molar de la sal es 101 g mol1.

Incgnita:38

m(KNO3) = ?Datos:b(KNO3/H2O) = 2mol kg1m(H2O) = 600 g = 0,6 kgM(KNO3) = 101 g mol1Frmula:

)OH(m)KNO(M)KNO(m)OH/KNO(b

23

323 =

Despeje:m(KNO3) = b(KNO3/H2O) M(KNO3) m(H2O)Sustitucin:m(KNO3) = 2 mol kg1 101 g mol1 0,6 kgResolucin:m(KNO3) = 121,2 gRespuesta:La masa de nitrato de potasio que es necesaria emplear es 121,2 g.

2.7.3 Concentracin de cantidad de sustancia

La concentracin de cantidad de sustancia: es la relacin que existe entrela cantidad de sustancia del soluto disuelto y el volumen de la disolucin.

)D(V)X(n)X(c =

)X(n)X(m)X(M =

)D(V)X(M)X(m)X(c =

Por ejemplo: Qu volumen de disolucin de hidrxido de potasio de con-centracin de cantidad de sustancia 0, 4 mol L1 , puede prepararse con 28 gdel mismo, si la masa molar de este soluto es 56 g mol1?

Incgnita:39

V(D) = ?Datos:c(KOH) = 0,4 mol L1M(KOH) = 28 gM(KOH) = 56 g mol1Frmula:

)D(V)KOH(M)KOH(m)KOH(c =

Despeje:

)KOH(c)KOH(M)KOH(m)D(V =

Sustitucin:

11 L mol 0,4 mol g 56g 28)D(V =

Resolucin:V(D) = 1,25 LRespuesta:El volumen de disolucin que puede prepararse es 1,25 L.

2.7.4 Concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes

El nmero de equivalencia (z*) est dado por: La cantidad de iones hidrgenos (H+) en el caso de los cidos. La cantidad de iones hidrxidos (OH) en el caso de los hidrxidos

metlicos. Total de cargas positivas o negativas en el caso de las sales. El nmero de electrones transferidos en el caso de las reacciones redox.

La concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes: es la relacinque existe entre la cantidad de sustancia en equivalentes de cualquier solutodisuelto y el volumen de la disolucin.

)z/X(n)z/X(c*

*=

c40

)D(V

)z/X(n)X(m)X(M*

=

)D(V)z/X(M)X(m)z/X(c

*

*=

)X(cz)z/X(c ** =Por ejemplo: se disuelven 19,6 g de cido sulfrico hasta obtener 250 mL

de disolucin. Se desea conocer la concentracin de cantidad de sustancia enequivalentes, sabiendo que la masa molar de este soluto es 98 g mol1.

Incgnita:c(H2SO4/z*) = ?Datos:m(H2SO4) = 19,6 gV(D) = 250 mL = 0,25 LM(H2SO4) = 98 g mol1z* = 2Frmula:

Sustitucin:

L 0,25 mol g 98/2g 19,6)/zSOH(c 1*42 =

Resolucin:c(H2SO4/z*) = 1,6 mol L1Respuesta:La concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes de esta disolu-

cin es 1,6 mol L1.Recurso nemotcnico para despejar en estas frmulas: Siempre que se despeje cantidad de sustancia de soluto, masa de soluto

o volumen de soluto, nos quedan todas las dems magnitudes multipli-cndose.

AdministradorNew Stamp

Cuando se despeje otra magnitud, que no sea cantidad de sustancia de41

soluto, masa de soluto o volumen de soluto, la cantidad de sustancia desoluto, masa de soluto o volumen de soluto se queda sola en el nume-rador y el resto de las magnitudes aparecen multiplicndose en el de-nominador.

2.8 Ejercicios

1. Teniendo en cuenta los siguientes sistemas:(I) Amonaco y agua. (II) Aserrn, arena y agua.(III) Agua lquida. (IV) Aceite y vinagre.a) Identifique en cada uno el nmero de fases y de componentes.b) Identifique cul o cules constituyen sistemas dispersos. Justifique.c) Identifique en los sistemas dispersos fase dispersa y fase dispersante.d) Identifique dnde corresponda el tipo de sistema disperso.e) Qu mtodo empleara para separar los componentes en los sistemas

que constituyen mezclas?2. Identifique el tipo de sistema disperso que se evidencia en cada uno de los

siguientes casos:a) Presenta efecto Tyndall.b) Son mezclas heterogneas a simple vista.c) Compuesta por dos fases lquidas no miscibles.d) Las fases dispersa y dispersante se llaman soluto y disolvente respecti-

vamente.e) Son un caso particular de las suspensiones.f) El dimetro de la partcula de la fase dispersa es del orden de 108 cm.

3. Teniendo en cuenta las siguientes disoluciones:(I) Amonaco en agua. (II) Etanol y agua. (III) Cloruro de sodio y agua.a) Clasifquelas segn el estado de agregacin del sistema resultante.b) Clasifquelas segn el estado de agregacin de los componentes antes

de constituirse la disolucin.c) Por qu el etanol es soluble en el agua y es muy poco soluble en

tetracloruro de carbono?d) Por qu el cloruro de sodio es soluble en el agua y es muy poco solu-

ble en keroseno?

4. Confeccione un esbozo aproximado de un grfico de una curva de42

solubilidad que represente un proceso en el cual al aumentar la temperatu-ra, aumenta la solubilidad y seale en el mismo los puntos D, E y F, querepresenten disoluciones no saturada, saturada y sobresaturada, respecti-vamente.

5. Sobre la sal AB se conocen sus coeficientes de solubilidad a diferentestemperaturas:

Temperatura (C)

Solubilidad (g)

0 50 5 40

10 30 15 20 20 10 25 0

a) Confeccione el grfico que representa la curva de solubilidad corres-pondiente.

b) Coloque en el grfico los siguientes puntos y diga qu tipo de disolu-ciones representan y justifique en cada caso.Punto A: Contiene 20 g de soluto anhidro por cada 100 g de agua, a 15 C.Punto B: Necesita 10 g del soluto AB para saturarse, a 5 C.Punto C: Contiene 100 g de soluto AB anhidro por cada 200 g de agua,a 10 C.

c) Qu usted hara a la disolucin representada por el punto B para con-vertirla en saturada?

d) Diga si el recipiente donde se prepara esta disolucin se calienta o seenfra. Clasifique el proceso segn el criterio energtico. Justifique.

e) Para la disolucin saturada a 10 C y teniendo en cuenta que la masamolar de AB es 60 g mol1. Calcule el tanto por ciento en masa desoluto y la molalidad de la disolucin.

f) Qu disolucin es ms concentrada, la representada por el punto A opor el punto B? Explique.

6. Cuntos gramos de agua son necesarios para preparar una disolucin al 5 %en masa, a partir de 12 g de bromuro de amonio (NH4Br)?

7. Qu volumen de disolucin al 15 % en volumen de etanol podr prepa-rarse a partir de 20 mL de este alcohol de frmula: CH3 CH2 OH?

8. Si por evaporacin de 150 g de disolucin de sulfato de magnesio, de43

frmula MgSO4 al 33 % en masa se recupera todo el soluto; y con esta sequiere preparar otra disolucin de concentracin de cantidad de sustancia0,1 mol L1. Hasta qu volumen de disolucin se debe aadir agua? Seconoce que la masa molar de esta sal es 120 g mol1.

9. Calcula la concentracin de cantidad de sustancia y la concentracin decantidad de sustancia en equivalentes para una disolucin que contiene196 g de cido fosfrico (H3PO4), disueltos en 230 mL de disolucin, si lamasa molar de este cido es 98 g mol1.

10. Se tiene una disolucin que contiene 345 g de bicarbonato de sodio, defrmula NaHCO3, disueltos en 150 g de agua. La masa molar de esta sal es84 g mol1. Determine el tanto por ciento en masa de soluto y la molalidadde esta disolucin.

11. Calcula la concentracin de cantidad de sustancia en equivalentes en cadauna de las disoluciones siguientes:a) Contiene 19,6 g de cido fosfrico (H3PO4), disueltos en 500 mL de

disolucin, si la masa molar del soluto es 98 g mol 1.b) Contiene 726 g de cido ntrico (HNO3), disueltos en 12 L de disolu-

cin, si la masa molar de este soluto es 63 g mol 1.12. El coeficiente de solubilidad del yoduro de potasio (KI) a 30 C es 150 g.

Calcule la molalidad y el tanto por ciento en masa de soluto de la disolu-cin saturada de yoduro de potasio a esa temperatura, conociendo que lamasa molar de esta sal es 166 g mol 1.

13. Si por evaporacin de 200 g de disolucin de nitrato de sodio (NaNO3) al30 % en masa de soluto se recupera toda la sal y con esta se quiere prepa-rar otra disolucin de concentracin de cantidad de sustancia 3 mol L1.Hasta qu volumen de disolucin se debe aadir agua? Se conoce que lamasa molar del nitrato de sodio es 85 g mol1.

14. Si se dispone de 25 g de cloruro de potasio (KCl) y se quiere preparar unadisolucin al 40 % en masa de soluto. Determine la masa de disolucinque podr prepararse y la molalidad de la disolucin. Se conoce que lamasa molar del cloruro de potasio es 75 g mol 1.

15. Si por evaporacin de 300 g de disolucin de cloruro de sodio (NaCl) al40 % en masa de soluto se recupera toda la sal y con esta se quiere prepa-rar otra disolucin de molalidad 4 mol kg1. Hasta qu volumen de diso-lucin se debe aadir agua? Se conoce que la masa molar del cloruro desodio es 58,5 g mol1.

16. Clasifique cada uno de los siguientes enunciados en verdaderos (V) o fal-sos (F). Explique su respuesta en cada caso. De ser necesario, haga losclculos correspondientes.a) _____ Una disolucin al 40 % en masa de soluto contiene 40 g de

soluto en 100 g de disolvente.b) _____ Una disolucin de concentracin 2 mol kg1, contiene 2 mol

de soluto por cada kilogramo de disolucin.c) _____ Una disolucin de concentracin de cantidad de sustancia de

cido fosfrico (H3PO4) igual a 3 mol L1, tendr una concentracinde cantidad de sustancia en equivalentes igual a 9 mol L1. Se conoceque la masa molar del cido fosfrico es 98 g mol1.

d) _____ Para calcular el tanto por ciento en volumen de una disolucinresulta necesario conocer la masa molar del soluto del cual se trate.

e) _____ Una disolucin que contiene 80 g de hidrxido de sodio (NaOH)en 2 L de disolucin tendr una concentracin de cantidad de sustan-cia igual a 2 mol L1. Se conoce que la masa molar del hidrxido desodio es 40 g mol1.44

TEMA 3PROPIEDADES COLIGATIVAS

3.1 Introduccin

Durante el estudio de los sistemas dispersos pudimos comprobar que mu-chas de las propiedades de las disoluciones dependen efectivamente, de lanaturaleza del soluto, por ejemplo: solubilidad.

En el desarrollo de este tema estudiaremos que hay otras propiedades, quepor el contrario, no dependen de la naturaleza del soluto, sino del nmero departculas disueltas en una masa determinada de disolvente, por ejemplo: des-censo en la temperatura de solidificacin.

Ilustraremos esta afirmacin con la descripcin de un sencillo experimen-to, para el cual se preparan tres disoluciones como se describe a continuacin:

Disolucin 1 Disolucin 2 Disolucin 3 Contiene 0,1 mol de glicerina disuelta en 1 kg de agua

Contiene 0,1 mol de glucosa disuelta en 1 kg de agua

Contiene 0,1 mol de fructosa disuelta en 1 kg de agua

Con un polarmetro se comprueba que es pticamente inactiva

Con un polarmetro se comprueba que es dextrgira

Con un polarmetro se comprueba que es levgira

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

Se puede observar que las tres disoluciones cuando son llevadas a un45

polarmetro, presentan diferente comportamiento frente a la luz polarizada,

sin embargo, las tres congelan a la misma temperatura, es decir, en ellas se46

ha producido un descenso en la temperatura de solidificacin del agua purade 0,186 C.

La diferencia en la actividad ptica de estas disoluciones depende de lanaturaleza del soluto, la semejanza en sus temperaturas de solidificacin sedebe a que tienen igual nmero de partculas, lo que es fcil de deducir porquetienen igual cantidad de sustancia de soluto, es decir 0,1 mol.

3.2 Propiedades coligativas

Son las que dependen exclusivamente del nmero de entidades elementa-les de soluto disuelto en una masa determinada de disolvente y que son inde-pendientes de su naturaleza.

Esto se produce en las disoluciones de slido en lquido ya que en ellassurgen atracciones entre las entidades elementales del slido y las molculasdel disolvente que limitan la libertad de estas ltimas y modifican, por tanto,las propiedades del disolvente.

Las propiedades coligativas son: El descenso de la presin de vapor. La elevacin de la temperatura de ebullicin. El descenso de la temperatura de congelacin. La presin osmtica.

3.3 Ley de Raoult

Es conocida tambin como ley fundamental de las propiedades coligativasde las disoluciones y su enunciado indica que:

La presin de vapor parcial de cada componente es menor que su presinde vapor cuando se encuentra en estado puro, a igual temperatura y quedicha disminucin depende de la composicin de la disolucin.Se cumple para disoluciones ideales, tal es el caso de disoluciones muy

diluidas de dos lquidos voltiles que tiene bastante de comn con las disolu-ciones de gases en lquidos.

La ley de Raoult se expresa analticamente de la siguiente forma:47

Ps = s Ps y Pd = d Pd.Donde:Ps y Pd: son las presiones parciales del soluto y del disolvente, respectiva-

mente.s y d: son las fracciones molares del soluto y del disolvente, respectiva-

mente, en la fase lquida.Ps y Pd: son las presiones de vapor de los lquidos soluto y disolvente

puros, respectivamente.

3.4 Difusin

Es el movimiento libre de sustancias al azar causado por los movi-mientos cinticos normales de la materia.

Es el movimiento continuo de las molculas a lo largo en lquidos otambin en gases.

Es uno de los dos procesos principales mediante el cual las sustanciasatraviesan la membrana celular. El otro proceso principal es el trans-porte activo.

Los factores que modifican la intensidad y rapidez de la difusin de unasustancia a otra parte del compartimiento son:

1. Cuanto mayor la diferencia de concentracin, mayor la difusin.2. Cuanto menor la masa molar, mayor la intensidad de la difusin.3. Cuanto ms corta la distancia, mayor la rapidez.4. Cuanto mayor el corte transversal de la cmara donde ocurre la difu-

sin, mayor la rapidez de esta.5. Cuanto ms elevada la temperatura, mayores son los movimientos

moleculares y, por lo tanto, tambin mayor la rapidez de la difusin.

3.5 smosis. Definicin. Presin osmtica

Ilustraremos este tema con la descripcin de un experimento en que setienen tres disoluciones X, Y y Z de cloruro de sodio en agua de diferentes

concentraciones, a las cuales se le introduce un poco de sangre (glbulos48

rojos).

Disolucin X Disolucin Y Disolucin Z 0,9 g de cloruro de sodio en 100 g de agua

0,3 g de cloruro de sodio en 100 g de agua

1,5 g de cloruro de sodio en 100 g de agua

Sangre (glbulos rojos) Sangre (glbulos rojos) Sangre (glbulos rojos) Los glbulos rojos permanecen inalterados

Los glbulos rojos se hinchan y se rompen

Los glbulos rojos se contraen

Disolucin isotnica Disolucin hipotnica Disolucin hipertnica

Podemos llegar a las siguientes conclusiones:1. Existe un equilibrio entre la presin del lquido en el interior de los

glbulos rojos y la presin de la disolucin salina X.2. Las disoluciones de diferentes concentraciones separadas por mem-

branas celulares tienden a alcanzar un equilibrio entre las presiones deambos lquidos.

3. El agua de la disolucin Y, de menor concentracin y mayor presin devapor, fluye hacia el interior de los glbulos rojos, originando una pre-sin adicional en el interior de los mismos, que provoca su hincha-miento y ruptura (hemlisis).

4. En la disolucin Z, el agua fluye desde el interior de los glbulos rojoshacia la disolucin exterior de mayor concentracin y menor presinde vapor, lo que origina la contraccin de los glbulos rojos (crenacin).

3.5.1 smosis. Definicin Es el flujo de molculas de disolvente a travs de una membrana

semipermeable, desde una disolucin diluida o desde un disolventepuro, hacia una disolucin de mayor concentracin.

Es el fenmeno que permite el paso del disolvente y tambin, en mu-chos casos, de diferentes solutos a travs de las membranas celulares.

Es una difusin del disolvente de regiones de mayor presin de vapor(ms diluidas) hacia regiones de menor presin de vapor (ms concen-tradas).

Est relacionada con las diferencias de presiones de vapor de las diso-luciones en cuestin, lo cual proporciona la fuerza impulsora para elflujo de molculas del disolvente a travs de la membrana, pero su

mecanismo y la causa fundamental de las presiones osmticas no son49

problemas simples (figura 3.1).

Figura 3.1 smosis.

3.5.2 Presin osmtica

Es originada por la smosis. Es la presin que hay que ejercer sobre la membrana semipermeable,

que separa a la disolucin de su disolvente puro, para evitar el paso delmismo a la disolucin.

Es la diferencia de presin requerida para evitar la smosis. Es el grado de presin necesaria para interrumpir completamente la

smosis.

Analticamente se expresa de la siguiente forma: = P2 P1Donde:: es la presin osmtica.P2: es la presin de la disolucin concentrada.P1: es la presin de la disolucin diluida o disolvente puro.

La presin osmtica tiene una gran importancia en los seres vivos. Porejemplo: para evitar que las paredes celulares y membranas del organismosufran alteraciones como inflamaciones y otras, se preparan los distintos me-dicamentos, tales como inyectables, colirios, entre otros, de forma tal que losmismos sean isotnicos, es decir, tengan igual presin osmtica que los flui-dos del cuerpo.

Membrana semipermeable

Disolucin diluidao disolvente puro(mayor presin de vapor)

Agua

Disolucinconcentrada (menor presin de vapor)

Disolucin de NaCl

Al igual que el resto de las propiedades coligativas, la presin osmtica es50

proporcional a la molalidad de la disolucin, o sea, = k b(X/d).

3.6 Leyes de la presin osmtica

La presin osmtica de una disolucin es numricamente igual a la pre-sin que ejercera el soluto al estado gaseoso si ocupara un volumen igual alde la disolucin a su propia temperatura.

La presin osmtica de una disolucin puede ser igual, menor o mayorque la presin osmtica de otra disolucin con la cual se compare y se afirma-r que la disolucin es isotnica, hipotnica o hipertnica, respectivamente,con la que se est comparando.

3.7 Presin osmtica y procesos biolgicos

La presin osmtica tiene especial importancia en los procesos biolgi-cos, porque la distribucin del agua y los solutos en las clulas del organismoest regida en gran medida por las leyes de la presin osmtica.

Las membranas celulares actan como membranas semipermeables, yaque permiten fluir el agua y algunos solutos, no permitiendo el paso de otrossolutos de mayor tamao, como las molculas de protenas.

La isotonicidad, es decir, iguales presiones parciales, entre los diversoslquidos, ya sean los de los tejidos o los de las secreciones digestivas, es unrequisito indispensable para el funcionamiento regular de un organismo.

3.8 Propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos

Hasta el momento, todos los ejemplos a los cuales nos hemos referido,para el estudio de las propiedades coligativas, han sido de disoluciones de noelectrlitos.

En el caso de los electrlitos se cumplen tambin todas las relaciones quehemos estudiado, aunque hay que tener en cuenta que en sus disoluciones los

electrlitos representan ms de un mol de partculas, debido a la ionizacin51

que experimentan al disolverse.Las propiedades coligativas de las disoluciones de electrlitos no correspon-

den a la ionizacin completa, debido a que existen interacciones entre los ionesque reducen su concentracin activa a un valor inferior al de su concentracin real.

3.9 Gradiente de concentracin

Es la diferencia de concentracin a ambos lados de la membrana citoplasmtica,la cual acta como barrera selectiva en el intercambio de sustancias que se estable-ce entre el medio externo y el interior de la clula, el cual est determinado por elpaso de los iones y las molculas simples a travs de la membrana.

El intercambio de sustancias a travs de la membrana se clasifica en trans-porte activo y transporte pasivo.

3.9.1 Transporte activo

Es el que ocurre en contra de un gradiente de concentracin, es decir, quesu salida de la clula se realiza desde un lugar de menor concentracin que esel interior de la clula, hasta un lugar de mayor concentracin que es el me-dio extracelular.

Es el movimiento de sustancias en combinacin qumica con sustancias por-tadoras en la membrana, y tambin movimiento contra un gradiente de energa,como el existente de una concentracin baja a un estado de concentracin alta,proceso que requiere energa qumica para provocar el desplazamiento.

Requiere de energa para que se efecte, la cual se obtiene del trifosfato deadenosina (ATP).

Se piensa que las molculas de protenas que ocupan todo el espesor de lamembrana, pueden desempear un papel importante en el mecanismo ntimodel paso de los iones a travs de la membrana. Por ejemplo: bomba so-dio-potasio (NA-K), donde el transportador de este mecanismo lleva sodio delinterior de la clula al exterior y potasio del exterior al interior. Normalmentelleva tres iones sodio al interior de la membrana por cada dos iones potasioque transporta al exterior, por lo que se llama bomba electrgena, porque siem-pre que bombea crea un potencial elctrico a travs de la membrana, dandonegatividad en el interior y positividad afuera. Es activada enrgicamente cuan-

do se eleva la concentracin de ion sodio en el interior de la clula, aumentan-52

do su actividad en proporcin con los valores de este ion. Es importante paramuchos sistemas funcionales del organismo, como los nervios y fibras muscu-lares, en varias glndulas y en todas las clulas del organismo para impedir latumefaccin celular. Una de las funciones ms importantes de esta bomba esevitar la hinchazn continua de las clulas.

3.9.2 Transporte pasivo

Es el que ocurre a favor de un gradiente de concentracin, es decir, desdeel compartimiento donde hay una mayor concentracin de sustrato de la diso-lucin hacia el que tiene menor concentracin. No requiere el consumo deenerga metablica para efectuarse y ocurre despus de inhibir los mecanis-mos celulares que liberan energa. Por ejemplo: la entrada del catin sodio ala clula a travs de la membrana, puesto que en los organismos vivos existemenor concentracin del catin sodio dentro de las clulas y por tanto mayorconcentracin del ion en el espacio extracelular (figura 3.2).

Medio extracelularCatin sodio

Mayor concentracin

Transporte pasivo(a favor del gradiente)

No intervienen enzimas

Transporte activo (en contra del gradiente)

Intervienen enzimas

Membrana

Citoplasma de la clulaCatin sodio

Menor concentracin

Figura 3.2 Esquema del transporte del ion sodio a travs de la membrana.

La selectividad que posee la membrana citoplasmtica para diferentes ti-pos de iones y su transportacin a travs de ella, determina que exista en laclula viva una corriente o flujo de iones desde el medio extracelular alintracelular y viceversa, por lo que hay una concentracin inica diferenteentre el interior y el exterior de las clulas y una desigual distribucin de lascargas inicas entre ambos lados de la membrana, establecindose una dife-rencia de potencial llamada biopotencial de membrana.

3.10 Ejercicios53

1. En tres recipientes iguales se colocan respectivamente 300 mL de agua,300 mL de disolucin de concentracin 4 mol kg1 de glucosa y 300 mLde disolucin de concentracin 2 mol kg1 de sacarosa. En cul de estosrecipientes la presin de vapor ser mayor y en cul ser menor? Expliquesu respuesta en cada caso.

2. Se tienen dos disoluciones A y B a la misma temperatura y separadas poruna membrana semipermeable. La disolucin A es ms diluida que la diso-lucin B. Subraye la frase correcta de las que aparecen entre parntesis.a) La presin de vapor de la disolucin B es (mayor, menor, igual) que la

de la disolucin A.b) La presin osmtica de la disolucin A es (mayor, menor, igual) que la

de la disolucin B.c) El disolvente fluye de la disolucin (A a la B, B a la A).

3. Analizando los siguientes enunciados, clasifique cada uno de ellos segncorresponda a transporte activo o a transporte pasivo.a) No requiere de energa metablica para efectuarse.b) Intervienen enzimas.c) Ocurre de mayor a menor concentracin.d) Ocurre a favor del gradiente de concentracin.e) La energa necesaria para el mismo se obtiene del ATP.f) No intervienen catalizadores orgnicos.

4. Observe la descripcin del siguiente experimento:

Disolucin 1 Disolucin 2 Disolucin 3 Contiene 0,2 mol de glicerina disuelta en 2 kg de agua

Contiene 0,2 mol de glucosa disuelta en 2 kg de agua

Contiene 0,2 mol de fructosa disuelta en 2 kg de agua

Con un polarmetro se comprueba que es pticamente inactiva

Con un polarmetro se comprueba que es dextrgira

Con un polarmetro se comprueba que es levgira

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

La temperatura de solidificacin es 0,186 C

a) Determine la molalidad de las tres disoluciones.b) De qu depende la diferencia en el comportamiento frente a la luz

polarizada?c) Es este comportamiento una propiedad coligativa? Explique.

d) A qu se debe la semejanza en sus temperaturas de solidificacin?e) Es esta una propiedad coligativa? Explique.f) Mencione otras dos propiedades coligativas.

5. Acerca de smosis y presin osmtica, responda:a) En qu consiste el proceso llamado smosis? Ilstrelo con un esquema.b) A qu llamamos presin osmtica?c) Qu relacin existe entre la presin osmtica de una disolucin y su

clasificacin en isotnica, hipotnica e hipertnica?d) Qu importancia tiene la presin osmtica para los procesos biolgi-

cos?e) Por qu la isotonicidad es un requisito indispensable para el funcio-

namiento regular del organismo?6. Acerca del transporte de sustancias en los lquidos corporales responda:

a) En qu consiste el gradiente de concentracin?b) Establezca una comparacin entre el transporte activo y el transporte

pasivo en cuanto a: Relacin con el gradiente de concentracin. De dnde a dnde se realiza. Requerimiento o no de energa.54

Intervencin o no de enzimas.

TEMA 4CINTICA QUMICA

4.1 Introduccin

Reacciones similares ocurren en la llama de una vela y en una explosin.La diferencia efectiva entre ambas radica en el tiempo o en la velocidad dereaccin, ya que estas dos reacciones se completan en intervalos de tiempomuy diferentes.

La cintica qumica es la rama de la qumica que estudia la transforma-cin de las sustancias qumicas en el tiempo y las condiciones experimenta-les en que esta se produce, as como las caractersticas internas de lainteraccin entre las entidades elementales reaccionantes. Tiene por objetodeterminar la velocidad con que ocurren las reacciones qumicas, el meca-nismo de la reaccin, as como la influencia de los factores externos y delmedio de reaccin.

Podemos pues afirmar que la cintica qumica tiene una extraordinariautilidad prctica en los estudios de los procesos qumicos, especialmenteen los biolgicos, ya que proporciona un mayor conocimiento de los pro-cesos vitales en humanos, animales y vegetales, contribuyendo, de estemodo a impulsar el desarrollo de las ciencias mdicas, farmacuticas yagropecuarias.

Tal vez el ser humano sea capaz de obtener la vida artificial cuando tengaun conocimiento ms profundo de las enzimas, catalizadores orgnicos que55

hacen posible la vida.

4.2 Velocidad de la reaccin qumica56

Durante una reaccin qumica: Las sustancias reaccionantes se ponen en contacto. Se producen colisiones (choques) entre las partculas de las sustancias

reaccionantes. Como resultado de las colisiones se van formando las sustancias pro-

ductos. La concentracin de las sustancias reaccionantes disminuye con el tiem-

po y la de las sustancias productos aumenta.

4.2.1 Velocidad media de reaccin

Es la relacin que existe entre la variacin de la concentracin de cantidadde sustancia c(X) de cualquiera de las sustancias involucradas en la reacciny el intervalo de tiempo t en que fue medida. Se representa por v, su unidadde medida es mol L1 s1 y su ecuacin de definicin es:

if

if

tt)X(c)X(c

t)X(c

v

=

=

Donde:cf(X): es concentracin de cantidad de sustancia final de X.ci(X): es concentracin de cantidad de sustancia inicial de X.tf: es tiempo final.ti: es tiempo inicial.X: es cualquiera de las sustancias involucradas en la reaccin y que se

tom como referencia para calcular la velocidad.La velocidad de reaccin siempre se determina experimentalmente (fi-

gura 4.1).Podemos llegar a las siguientes conclusiones:1. Cuando la velocidad media de reaccin se determina con res-

pecto a una sustancia reaccionante, su valor ser negativo, yaque cf(X) < ci(X).

2. Cuando la velocidad media de reaccin se determina con respecto auna sustancia producto, su valor ser positivo, ya que cf(X) > ci(X).

Concentracin57

Figura 4.1 Representacin grfica de la variacin de la concentracin de cantidadde sustancia en funcin del tiempo para la reaccin

N2O4 (g) 2 NO2 (g).

4.2.2 Mtodos ms comunes empleados para determinar la variacin dela concentracin durante una reaccin qumica

Mtodos fsicos: colorimtricos, medidas de variacin de presin ymedidas de conductividad elctrica, entre otros.

Mtodos qumicos: anlisis qumico de reaccionantes y productos.

4.3 Aspectos fundamentales de la teora de las colisiones

La teora de las colisiones es la que explica las velocidades de reaccinconsiderando los choques entre las partculas.

Considerando una reaccin bimolecular en fase gaseosa:2 NOCl (g) = Cl2 (g) + 2 NO (g)Segn esta teora:1. Para que dos molculas puedan reaccionar es una condicin necesaria

que sus centros de masa deben acercarse uno a otro hasta una ciertadistancia crtica, es decir, es necesario que ocurra un choque o colisinentre las molculas.

(mol L1)c(NO2)

c(N2O4)

Tiempo (s)

2. Si se asume este postulado como absoluto, la velocidad de las reaccio-58

nes qumicas dependera solo de la frecuencia con que se producen lascolisiones entre las partculas de las sustancias reaccionantes.

Para que un choque produzca una reaccin qumica, es decir, exista unacolisin efectiva, debe cumplirse que:

Las partculas estn activadas. Las partculas tengan una orientacin adecuada en el momento de pro-

ducirse la colisin.Se comprob entonces el hecho de la dependencia de la velocidad de reac-

cin con la temperatura y que solamente participan en una reaccin aquellasmolculas cuyas energas son mayores de cierto valor mnimo llamado ener-ga de activacin.

La energa de activacin es la energa mnima que deben tener las partculaspara que el choque sea efectivo. Se representa por H y su unidad es el kJ mol1.

Al aumentar la temperatura se logra una distribucin ms amplia de velocidad.Algunas de las limitaciones de la teora de las colisiones son: Solo se aplica a reacciones en fase gaseosa, ya que se basa en la teora

cintico-molecular de los gases. Se cumple solo para las molculas sencillas.

4.4 Aspectos fundamentales de la teora del complejo activado

Segn esta teora:1. En una reaccin qumica, al acercarse las partculas reaccionantes, a

cierta distancia forman una configuracin compleja que puede dar lu-gar tericamente a la formacin de los productos o a la regeneracinde los reaccionantes.

2. Este estado, por el que pasa el sistema, es un estado de activacin dealto contenido energtico, mnima estabilidad y de una configuracinespecfica, al que se le llama complejo activado o estado de transicin.

Como esta teora plantea que la velocidad de la reaccin est dada por laconcentracin de ese complejo activado, la reaccin puede representarse por:

Reaccionantes Complejo activado ProductosDonde la obtencin de los productos depender de la velocidad con que se

descompone el complejo activado.

59

El complejo activado no es una entidad qumica porque no es una sustan-cia como tal y su estructura se plantea solo tericamente para explicar la ob-tencin de productos a partir de los reaccionantes.

Se caracteriza por tener una energa potencial mayor que la de losreaccionantes y productos, por lo que las especies que interactan deben teneruna energa total mayor o igual a la energa potencial del complejo activado.

La energa de activacin (H): es la energa necesaria para convertir alos reaccionantes en el complejo activado, es decir, la energa que necesitaabsorber las partculas de los reaccionantes para superar la barrera de energa yconvertirse en productos (figura 4.2). Se puede calcular mediante la frmula:

H = HCA HRDonde:H: es la energa de activacin.HCA: es la entalpa del complejo activado.HR: es la entalpa de los reaccionantes.

Figura 4.2 Diagrama de energa total versus avance de la reaccin para un procesoqumico XY + Z = X + YZ. a) Exotrmico. b) Endotrmico.

La variacin de entalpa (H) si la reaccin ocurre a presin constante, esla energa absorbida o desprendida por un sistema para transformar losreaccionantes en productos.

Energatotal(kJ mol1)

Energatotal(kJ mol1)Complejo

activadoX Y Z

ComplejoactivadoX Y Z

H

XY + ZH

X + YZReaccionantes

H < 0Productos

XY + Z

Reaccionantes

H > 0

Avance de la reaccin Avance de la reaccina) b)

X + YZProductos

Se puede calcular mediante la frmula:60

H = HP HRDonde:H: es la variacin de entalpa.HP: es la entalpa de los productos.HR: es la entalpa de los reaccionantes.Se cumple que a mayor energa de activacin menor es la velocidad de reaccin.Algunas limitaciones de la teora del complejo activado son: Es vlida solo para reacciones elementales. La estructura del complejo activado es desconocida.

4.5 Factores que influyen en la velocidad de las reaccionesqumicas

Estos factores actan sobre la reaccin qumica acelerndola o retardn-dola, produciendo una de las tres modificaciones siguientes:

1. Variacin de la frecuencia de choque.2. Incremento del nmero de partculas capaces de alcanzar el estado de

transicin.3. Disminucin de la energa de activacin.

Los principales factores a tener en cuenta son: Naturaleza de las sustancias reaccionantes. Superficie de contacto entre las sustancias reaccionantes. Concentracin o presin de las sustancias reaccionantes. Temperatura. Catalizadores. Energa radiante o luminosa.

4.5.1 Naturaleza de las sustancias reaccionantes

Para el estudio de la relacin entre la velocidad de la reaccin y la natura-leza de las sustancias reaccionantes, no existe una regla como tal, ya que estrelacionado con las caractersticas especficas de las sustancias involucradasen la reaccin.

61

S se conoce que, generalmente, las reacciones que no requieren rea-justes de enlaces son rpidas a la temperatura ambiente. Por ejemplo:CuSO4 (ac) + 2 NaOH (ac) = Na2SO4 (ac) + Cu (OH) 2 (s)

Las reacciones que requieren la ruptura y formacin de varios enla-ces qumicos proceden lentamente a la temperatura ambiente. Porejemplo:C25H52 (s) + 38 O2 (g) = 25 CO2 (g) + 26 H2O (g) H < 0

4.5.2 Superficie de contacto entre las sustancias reaccionantes

En el caso de las reacciones heterogneas (las sustancias que intervienenestn en diferentes fases), la velocidad de este tipo de reaccin es proporcionala la superficie de contacto.

La trituracin previa de un slido, es decir, dividirlo en partculas meno-res, aumenta el grado de divisin, con el consiguiente aumento de la frecuen-cia de choques, incrementando la velocidad de la reaccin.

Una sustancia qumica slida puede existir en lminas, granallas o en pol-vo y en este mismo orden aumenta el grado de divisin y el rea o superficiede contacto.

4.5.3 Concentracin o presin de las sustancias reaccionantes

En general, para cualquier reaccin qumica casi siempre un aumento enla concentracin de las sustancias reaccionantes, incrementa proporcionalmenteel nmero de partculas por unidad de volumen, lo que provoca un aumento enla frecuencia del nmero de colisiones efectivas y por tanto se traduce, gene-ralmente, en una mayor velocidad de reaccin.

4.5.3.1 Mecanismo de reaccinEs el conjunto de pasos o etapas intermedias a lo largo de las cuales tiene

lugar una reaccin qumica. Se determina experimentalmente. Por ejemplo:1. HBr + O2 HOOBr (lento)2. HOOBr + HBr 2 HOBr (rpido)3. 2 HOBr + 2 HBr 2 H2O + 2 Br2 (rpido)

Un mecanismo de reaccin que tiene n pasos, tendr un paso al cual llama-mos lento y n 1 pasos que lo clasificamos como rpidos.

El paso lento es cualquiera de ellos.

4.5.3.2 Paso determinante de la velocidad de la reaccin62

Es el que controla o determina la velocidad de la reaccin qumica. Essiempre el paso lento. Por ejemplo: el paso 1 del epgrafe anterior.4.5.3.3 Expresin cintica de la velocidad

Es el producto de la constante cintica k por las concentraciones de canti-dad de sustancia de los reaccionantes del paso lento del mecanismo de reac-cin. Por ejemplo:

v = k c(HBr) c(O2).Donde:k: es una constante de proporcionalidad conocida con el nombre de cons-

tante de velocidad o velocidad especfica.4.5.3.4 Ecuacin global, neta o total del proceso

Es la suma de los pasos del mecanismo de reaccin. Por ejemplo:4 HBr + O2 2 H2O + 2 Br2

4.5.3.5 Variacin de la velocidad con la concentracinPondremos varios ejemplos: Si aumentamos la c(HBr), la velocidad aumenta. Si disminuimos la c(O2), la velocidad disminuye. Si aumentamos la c(HOOBr), la velocidad no vara.

Para reacciones qumicas que se producen entre gases un aumento de lapresin equivale a un aumento en la concentracin de los reaccionantes, loque incrementa la velocidad de la reaccin.

4.5.4 Temperatura

Generalmente, al elevarse la temperatura, aumenta la velocidad de la reac-cin qumica.

Esto es debido a que: Aumenta el nmero de choques entre las partculas. Aumenta el nmero de partculas con energa igual o superior a la ener-

ga de activacin. Aumenta el nmero de partculas con energa suficiente para formar el

complejo activado.

4.5.5 Catalizadores63

Son sustancias qumicas que aumentan la velocidad de la reaccin qumi-ca y al final de esta permanecen aparentemente sin haber tenido cambio qu-mico alguno. Se colocan sobre el signo de igualdad. Por ejemplo:

MnO22 H2O2 (l) 2 H2O + O2 (g).Cmo actan los catalizadores?Provocan que la reaccin qumica ocurra con un nuevo mecanismo, con la

creacin de un nuevo complejo activado donde la energa de activacin de laetapa lenta es menor que en la reaccin no catalizada, lo que permite quemayor nmero de partculas tengan la energa suficiente para transformarse enproductos y por lo tanto aumente la velocidad de reaccin.

La catlisis es el proceso mediante el cual acta un catalizador (figura 4.3).Energa total(kJ mol1)

(A)

H (A)(B)

Reaccionantes

H (B)

Productos

Avance de la reaccin

Figura 4.3 Diagrama de energa total versus avance de la reaccin para un procesoqumico. (A) Sin catalizador. (B) Con catalizador.

Las caractersticas de los catalizadores son: No pueden provocar una reaccin que no se produzca por s misma. Una sustancia que cataliza una reaccin no tiene que ser catalizador de

otras reacciones. Una misma reaccin qumica puede ser catalizada por distintos

catalizadores, excepto donde los catalizadores son las enzimas. Existen reacciones qumicas donde el catalizador es uno de los pro-

ductos (autocatlisis).

4.5.5.1 Enzimas64

Son catalizadores de origen biolgico que facilitan las reacciones que seproducen en los organismos de los seres humanos, los animales y los vegeta-les y son especficos para cada reaccin. Por ejemplo:

Enzimas Medio en que se encuentra Accin cataltica Ptialina Saliva Hidrlisis parcial del almidn Trombina Sangre Coagulacin de la sangre Pepsina Jugo gstrico Hidrlisis de las protenas Lipasa Bilis Digestin de las grasas

4.5.5.2 InhibidoresSon sustancias que disminuyen la velocidad de las reacciones qumicas, ya

que resultan perjudiciales al proceso productivo o bioqumico. Por ejemplo:antibiticos.

Los antibiticos son inhibidores de procesos vitales de bacterias y hongosperjudiciales a las plantas, los animales y el ser humano. Su funcin es especfi-ca, no afecta a las plantas ni animales superiores y elimina enzimas que catalizanreacciones fundamentales para la vida de los organismos nocivos y por tantoestos mueren. Por ejemplo: cefalexina, vancomicina, azitromicina, entre otros.

4.5.6 Energa radiante o luminosa

Algunas reacciones qumicas llamadas reacciones fotoqumicas, son promo-vidas, inducidas o aceleradas por accin de la luz y en general de la energa radian-te. En estas reacciones las partculas pasan a estados excitados de mayor energa,con el consiguiente aumento de la velocidad de la reaccin qumica. Por ejemplo:el proceso de fotosntesis que se produce en los vegetales vivos, donde se transfor-ma el dixido de carbono y el agua en carbohidratos por la accin de la luz solar.

Luz solar6 CO2 (g) + 6 H2O C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)

4.6 Ejercicios

1. En relacin con la velocidad media de reaccin responda verdadero (V) ofalso (F), segn corresponda. Explique en cada caso.

a) ____ Se determina a partir de datos experimentales.65

b) ____ Cuando se determina a partir de una sustancia reaccionante suvalor es positivo.

c) ____ Un factor que influye en la velocidad de una reaccin es la natu-raleza de las sustancias reaccionantes.

2. Se realiza la combustin de dos muestras de carbn en polvo, una en elaire y la otra en dioxgeno puro. Ser igual la velocidad de la reaccin enambos casos? Explique.

3. La sacarosa arde en el aire a una temperatura superior a 500 C y producedixido de carbono y agua gaseosos. Explique cmo es posible que en losseres humanos la sacarosa se transforme en dixido de carbono y aguagaseosos a una temperatura entre 36 C y 37 C.

4. La siguiente tabla brinda cuatro formas en que puede ocurrir la reaccinentre el zinc y el cido clorhdrico:

A B C D Zn (polvo) c(HCl) = 1 mol L1 T = 30 C

Zn (granallas) c(HCl) = 1 mol L1 T = 30 C

Zn (polvo) c(HCl) = 2 mol L1 T = 30 C

Zn (polvo) c(HCl) = 1 mol L1 T = 40 C

En cada uno de los siguientes pares de recipientes, diga en cul ocurre msrpidamente la reaccin. Por qu? A y B. A y C. A y D.

5. El clobetazol es un medicamento que se utiliza para las afecciones de lapiel, en sus envases aparece Almacnese de 15 C a 20 C y Protjasede la luz. Por qu deben tomarse estas precauciones?

6. Por qu los catalizadores aumentan la velocidad de las reacciones qumi-cas?

7. Se conoce que el proceso de descomposicin del yoduro de hidrgeno quese representa a continuacin es exotrmico.2 HI (g) H2 (g) + I2 (g) La energa de activacin para este proceso es 184 kJ mol1. En presencia de un catalizador de platino la energa de activacin es

59 kJ mol1.a) En qu caso la reaccin transcurre a mayor velocidad? Por qu?b) Dibuje un esbozo aproximado de un diagrama de energa total versus

avance de la reaccin que represente este proceso.

8. En cada par de reacciones representadas a continuacin la velocidad de66

reaccin es diferente. Cul de las dos reacciones es ms rpida? Qu factor influye en cada caso?a) (I) Mg(s) (lmina) + 2 HCl (ac) MgCl2 (ac) + H2 (g)

(II) Mg(s) (Polvo) + 2 HCl (ac) MgCl2 (ac) + H2 (g)b) (I) 2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) c(CO) = 108 mol L1

(II) 2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) c(CO) = 103 mol L1c) (I) N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) H > T = 50 C

(II) N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) H > T = 200 CFe

d) (I) N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)(II) N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

9. De un proceso qumico se conoce que su ecuacin total es:A + B + C ABCY que la velocidad de la reaccin depende de las concentraciones de lassustancias A y C.a) Formule un mecanismo de reaccin en dos pasos que se corresponda

con este proceso.b) Formule la expresin cintica de la velocidad.b) Qu le sucede a la velocidad de la reaccin si aumentamos la c(B)?

Explique.10. El siguiente diagrama representa la energa total versus el avance de la

reaccin para una reaccin qumica:

30

Energa total(kJ mol1)

25

20

15

10

5

0Avance de la reaccin

Diga cul es el valor numrico de las magnitudes que se indican en cadacaso, expresadas todas en kJ mol 1:a) Energa de activacin del proceso directo sin catalizador.b) Entalpa de los reaccionantes del proceso inverso.c) Entalpa del complejo activado del proceso directo con catalizador.d) Entalpa de los productos del proceso directo.e) Energa de activacin del proceso inverso con catalizador.f) Entalpa de los reaccionantes del proceso directo.g) Energa de activacin del proceso directo con catalizador.h) Entalpa de los productos del proceso inverso.i) Entalpa del complejo activado del proceso inverso sin catalizador.j) Energa de activacin del proceso inverso sin catalizador.67

TEMA 5EQUILIBRIO QUMICO

5.1 Introduccin

Movimientos opuestos y fuerzas opuestas como las de la persona que des-ciende por una escalera mecnica que asciende (figura 5.1), a igual velocidad,pero en sentido opuesto, dan una aparente sensacin de no cambio.

Figura 5.1 Persona que desciende por una escalera mecnica ascendentea igual velocidad, pero en sentido opuesto.

En este caso para el observador Y la posicin de X no cambia. Las partcu-las en los procesos qumicos interaccionan de forma semejante para producirlo que los qumicos llaman estado de equilibrio.

La palabra equilibrio nos da idea de estabilidad. Esta condicin se produce

v1 = v2X

v1

Y v268

por el balance de fuerzas que actan en sentidos opuestos. El equilibrio en

qumica tiene el mismo significado general dado anteriormente, pero se hace69

necesario conocer algunos trminos.En las reacciones qumicas estudiadas hasta este momento se puede presu-

mir que al ponerse en contacto las sustancias reaccionantes estas se transfor-man totalmente en sustancias productos.

La experiencia demuestra que, en muchos casos, las reacciones qumicastranscurren en dos sentidos opuestos, es decir, los reaccionantes se transfor-man en productos y estos a su vez se transforman en reaccionantes, lo queocurre simultneamente.

El estudio del equilibrio qumico unido a los conocimientos estequiomtri-cos, energticos y cinticos, nos permitir tener un conocimiento ms comple-to acerca de la reaccin qumica.

5.2 Definicin de trminos

Para poder entender los aspectos relacionados con el estudio del equilibrioqumico, se hace necesario definir una serie de conceptos.

Reaccin irreversible: es aquella que ocurre en un solo sentido, es decir,las sustancias reaccionantes se transforman totalmente en productos. Porejemplo: en un sistema abierto la siguiente reaccin es irreversible:

CaCO3 (s) CaO(s) + CO2 (g)

Reaccin reversible: es aquella que ocurre en los dos sentidos opues-tos, es decir, los reaccionantes se transforman en productos y simult-neamente los productos se transforman en reaccionantes. Por ejemplo:en un sistema cerrado la siguiente reaccin es reversible:H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g)

Convencionalmente, hemos establecido, que en la ecuacin qumica lla-mamos reaccionantes a las sustancias que se colocan a la izquierda delsigno de igualdad y productos a las que se colocan a la derecha de estesigno. Reaccin directa: se produce de izquierda a derecha ( ). Reaccin inversa: se produce de derecha a izquierda ( ).Insistimos en que esto es solo convencionalmente y para la escritura de laecuacin qumica, porque en la prctica los reaccionantes y los productosindistintamente se pueden intercambiar en un sistema reversible.

Sistema homogneo: es completamente uniforme, o sea, sus propie-70

dades y composicin son las mismas en cualquier punto del mismo.Las sustancias se encuentran en el mismo estado de agregacin. Porejemplo:CO (g) + 1/2 O2 (g) CO2 (g)

Sistema heterogneo: se compone de varias partes macroscpicas, se-paradas unas de otras por superficies de divisin visibles, por lo que noes completamente uniforme. Existen diferentes estados de agregacinde las sustancias. Por ejemplo:C(s) + O2 (g) CO2 (g)

Sistema abierto: es aquel que intercambia masa y/o energa con el medio. Sistema cerrado: es aquel que contiene una masa constante de sustan-

cia y toda ella a la misma temperatura, ya que no existe intercambio demasa ni energa con el medio.

Cambios macroscpicos: son los cambios de aquellas propiedades comola presin, que dependen de grandes cantidades de molculas.

Cambios microscpicos: son los cambios que ocurren a nivel molecular.

Conocido estos trminos nos encontramos en condiciones de definir elestado de equilibrio qumico.

5.3 Equilibrio qumico

Es un estado dinmico en el que se estn produciendo continuamente cam-bios opu