Universidad Nacional Experimental del Táchira

Vicerrectorado Académico Decanato de Docencia

Soluciones QUÍMICA GENERAL I

Prof. Juan Pablo Herrera

Departamento de Química

San Cristóbal Febrero 2012

QUÍMICA GENERAL I

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Índice

Página

Presentación 2

Orientaciones generales para el estudio 2

Actividades-proceso de aprendizaje 2

Soluciones: Conceptos básicos 3

Tipos de soluciones 4

Solubilidad 5

Clasificación de las soluciones 6

Actividad: Crucigrama 7

Unidades físicas de concentración 8

Unidades químicas de concentración 9

Ejemplo 10

Actividad: Ejercicios 11

Actividad: Autoevaluación. 12

Respuestas. 14

Recursos bibliográficos 15

QUÍMICA GENERAL I

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Presentación

Las soluciones son mezclas que constituyen uno de los temas más importantes de la química, además de ser comúnmente empleadas en los distintos procesos de producción industrial. En el aspecto general los conocimientos adquiridos permitirán al estudiante preparar las sustancias requeridas para los distintos procesos químicos relacionados con sus carreras y entender las propiedades de las mezclas que participan en los procesos industriales. El contenido de la guía se desarrolla acorde con el programa institucional de la Universidad Nacional Experimental del Táchira (UNET), haciendo énfasis en el tema soluciones, que forma parte de la instrucción básica de las carreras ingeniería electrónica, ingeniería en producción animal, ingeniería ambiental, ingeniería mecánica y agronomía.

Orientaciones generales para el estudio.

Para el desarrollo del tema, se debe tener claro algunos conceptos básicos, los cuales se mencionan a continuación.

a) Densidad. b) Elemento. c) Compuesto. d) Átomo. e) Molécula.

Actividades-Proceso de aprendizaje

Para sentar aprendizajes, se desarrollarán en la guía las siguientes actividades: a) Crucigrama : basado en los conceptos básicos y la terminología empleada en

el tema.

b) Ejercicios: ejercicios de preparación de soluciones, los cuales poseen respuestas.

c) Autoevaluación: relacionada con el tema en su totalidad.

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Soluciones: Conceptos básicos.

Las soluciones son mezclas homogéneas, que se caracterizan por:

• Poseer composición y propiedades uniformes. • Sus componentes no reaccionan. • Están constituidas por el soluto y el solvente.

Solvente.

• Determina el estado de la materia en la cual la

solución existe. • En él se disuelve el soluto. • El agua es conocida como el solvente universal.

Soluto.

• Se encuentra disuelto en el solvente.

Cuando se usa el término cotidiano disolver nos referimos al proceso de la producción de una solución. Generalmente el componente presente en una cantidad mayor (agua en la mayoría de los casos) se llama solvente y las sustancias disueltas son los solutos. Una de sacarosa (azúcar de caña) tiene un dulzor uniforme en cualquier parte de la mezcla. El aire ordinario es una mezcla homogénea de varios gases, principalmente los elementos nitrógeno y oxígeno. FIGURA 3. Las soluciones son mezclas homogéneas en las cuales el solvente está generalmente en gran exceso. La sustancia disuelta se llama soluto.

Notas relevantes

FIGURA 1. Está pieza de granito es una mezcla heterogénea de varias sustancias.

Cuando los diferentes compuestos de una mezcla se pueden identificar por medio de un microscopio o a simple vista, se dice que se trata de una mezcla heterogénea.

En algunas mezclas los componentes están tan bien entremezclados que la composición es la misma en cada parte, sin importar que la muestra sea muy pequeña. Este tipo de mezclas reciben el nombre de mezclas homogéneas.

FIGURA 2. La sal de mesa disuelta en agua constituye una mezcla homogénea de iones de sodio e iones de cloro entre las moléculas de agua.

Soluto

Solvente Solución

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Tipos de soluciones.

El estado físico de la solución (sólido, líquido o un gas) es determinado por el estado físico del solvente. En la siguiente tabla se muestran algunos tipos de soluciones en función del estado de la materia. TABLA1. Tipos de soluciones de acuerdo a su estado de la materia.

La soluciones liquidas en las cuales el solvente es agua son muy comunes en la vida diaria y en los laboratorios, por esta razón la mayoría de las soluciones mencionadas en el texto son acuosas . Aunque son menos comunes la soluciones no acuosas , es decir cuyo solvente no es agua, también tienen usos importantes. En la limpieza en seco, la grasa, la suciedad, se disuelven en tetracloroeteno.

Soluciones Líquidas Ejemplo

Líquido en líquido Acetona y agua

Gas en líquido Oxigeno en agua

Sólido en líquido Azúcar en agua

Soluciones Sólidas

Gas en sólido CO2 en carbono

Líquido en sólido Mercurio en cobre

Sólido en sólido Oro en plomo

Soluciones Gaseosas

Líquido en gas Niebla

Sólido en gas Smog

Gas en gas Oxigeno en aire

Notas relevantes

Las distintas soluciones se pueden apreciar en nuestra vida diaria, bien sea soluciones elaboradas por el hombre para un uso en particular o producto de la naturaleza.

FIGURA 3. Las aleaciones son ejemplos de soluciones sólidas.

El smog es una solución de partículas solidas suspendidas en el aire, que afecta la salud del ser humano y generalmente es ocasionada por las actividades realizadas por el mismo. La niebla es una mezcla de gotas de agua en el aire, se origina de forma natural.

FIGURA 4. El smog es una solución gaseosa.

FIGURA 5. La niebla, es una solución gaseosa.

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Solubilidad.

Cuando añadimos una pequeña cantidad de soluto a un determinado volumen de solvente se formará una solución, sin embargo de continuar añadiendo soluto a la solución llegará un momento en el cual no se disuelve. En este punto se afirma que el solvente disolvió todo el soluto que podía y el resto quedará sin disolver. La solubilidad se define como la máxima relación de soluto y solvente a una temperatura dada. La solubilidad es una constante física que se expresa comúnmente en gramos de soluto por cada 100 mL de solvente.

FIGURA 8. Curvas de solubilidad para distintas sales. La solubilidad depende de la temperatura, afecta la cantidad de soluto que puede disolver el solvente. La solubilidad para distintas sustancias se obtiene de curvas (FIGURA 8). Para el caso del cloruro de sodio (NaCl) podemos apreciar como es afectada su solubilidad con la temperatura: Solubilidad en agua a 25 °C es 37g/100 mL Solubilidad en agua a 60 °C es 45g/100 mL

Notas relevantes

Si agregamos 669 g de nitrato de plata en 100 cm3 de agua a 80 °C, se disolverá completamente (solubilidad 669g/100 cm3 a 80 °C).

Dejando enfriar esta disolución hasta 20 °C. solo pueden permanecer disueltos 222 g de soluto, el resto tiene que irse al fondo en forma sólida. Cuando ocurre esto, decimos que se ha formado un precipitado.

FIGURA 6 Formación de un precipitado de nitrato de plata.

Cuando un gas se disuelve en un líquido, la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura, ya que entonces las partículas de gas se mueven más deprisa y pueden dejar más fácilmente el líquido para pasar al aire.

Los peces respiran el oxígeno disuelto en el agua. Cuando alguna industria vierte agua caliente a un río, el aumento de la temperatura hace que disminuya la cantidad de oxígeno disuelto, lo que afecta a la vida de las especies que allí habitan.

FIGURA 7. Peces muertos por aumento de la temperatura de un rio.

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Clasificación de las soluciones. De acuerdo a la cantidad de soluto agregado al solvente, las soluciones pueden clasificarse de la siguiente forma:

• Diluida: aquella solución que puede disolver más soluto del que ya posee.

o Ejm: solubilidad del NaCl en agua a 25 °C es 37g/100 mL. Se agregan 10g en 100 mL de agua.

• Saturada: la solución que a una temperatura determinada, no puede disolver más soluto.

o Ejm: solubilidad del NaCl en agua a 25 °C es 37g/100 mL. Se agregan 37g en 100 mL de agua.

• Sobresaturada: la solución que tiene más soluto disuelto del que normalmente puede disolver a una temperatura.

o Ejm: solubilidad del NaCl en agua a 25 °C es 37g/100 mL. solubilidad del NaCl en agua a 60 °C es 45g/100 mL. Se calienta el agua hasta 60 °C, se disuelve 45g de soluto y luego se enfría lentamente hasta 25 °C, permaneciendo en solución el soluto inicial.

Cabe destacar que las soluciones sobresaturadas son muy inestables, su equilibrio se afecta fácilmente, ocasionando que el soluto en exceso precipite.

FIGURA 11. Preparación de una solución acuosa sobresaturada en NaCl.

Notas relevantes

La solubilidad se determina de forma experimental, por ejemplo, se ha determinado que el cloruro de sodio es más soluble en agua que el sulfato cúprico.

FIGURA 9. Cloruro de sodio.

El cloruro de sodio (NaCl) es el principal componente de la sal de mesa, su elevada solubilidad en agua puede ocasionar que algunos alimentos posean un alto contenido de sal, lo cual con el tiempo genera problemas de salud.

La cantidad de alcohol que se disuelve en agua es ilimitada, esto significa que es posible mezclarlos en cualquier proporción y siempre resultará un sistema homogéneo

FIGURA 10. Soluciones alcohólicas, cuyos principales compuestos son etanol y agua.

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Actividad: Crucigrama. Realice el siguiente crucigrama empleando los conceptos básicos de soluciones desarrollados anteriormente.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Horizontal - 3. LA RELACIÓN ENTRE LA CANTIDAD DE

SOLUTO Y LA CANTIDAD DE SOLVENTE, EXPRESADA EN DISTINTAS UNIDADES.

4. ACCIÓN DE PREPARAR UNA SOLUCIÓN A PARTIR DE UN SÓLIDO.

5. SOLUCIÓN QUE POSEE LA MÁXIMA CANTIDAD DE SOLUTO A UNA DETERMINADA TEMPERATURA.

6. AQUELLAS SOLUCIONES CUYO SOLVENTE ES LÍQUIDO.

8. ACCIÓN DE PREPARAR UNA SOLUCIÓN AGREGANDO SOLVENTE PARA DISMINUIR SU CONCENTRACIÓN.

9. AQUEL COMPONENTE DE LA SOLUCIÓN QUE DISUELVE EL SOLUTO.

Vertical - 1. MÁXIMA CANTIDAD DE SOLUTO QUE

PUEDE MEZCLARSE CON EL SOLVENTE. 2. RELACIÓN ENTRE LA CANTIDAD DE

SOLUTO Y LOS LITROS DE SOLUCIÓN, UNIDAD QUÍMICA DE CONCENTRACIÓN.

7. COMPONENTE DE LA SOLUCIÓN QUE SE DISUELVE EN EL SOLVENTE.

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Unidades físicas de concentración. Para expresar la relación entre la cantidad de soluto y solvente en una solución se usan las unidades de concentración. Las unidades más comunes son las unidades físicas, las cuales pueden apreciarse a continuación. • Porcentaje en masa.

• Porcentaje en volumen.

• Porcentaje en masa/volumen.

La unidad física más empleada es el porcentaje en masa, si no se especifica el tipo de porcentaje en el cual se expresa un valor, se debe asumir que se trata de porcentaje en masa. El porcentaje usado para expresar concentración se selecciona normalmente de acuerdo a las características del soluto y el solvente, es decir, si el solvente es líquido al igual que el soluto se emplea el porcentaje en volumen y así sucesivamente. Un ejemplo de soluciones expresadas en unidades físicas son las sales isotónicas, las cuales se preparan agregando 0,9 g de NaCl en 100 mL de agua, esto corresponde a 0,9% de NaCl (masa/volumen)

Fundamentos

La solubilidad se determina de forma experimental, por ejemplo, se ha determinado que el cloruro de sodio es más soluble en agua que el sulfato cúprico.

FIGURA 9. Cloruro de sodio.

El cloruro de sodio (NaCl) es el principal componente de la sal de mesa, su elevada solubilidad en agua puede ocasionar que algunos alimentos posean un alto contenido de sal, lo cual con el tiempo genera problemas de salud.

La cantidad de alcohol que se disuelve en agua es ilimitada, esto significa que es posible mezclarlos en cualquier proporción y siempre resultará un sistema homogéneo

FIGURA 10. Soluciones alcohólicas, cuyos principales compuestos son etanol y agua.

Notas relevantes

Algunas de las soluciones más comunes expresan su concentración en unidades físicas, como por ejemplo la cerveza.

FIGURA12. Cerveza comercial, cuyos grados alcohólicos dependen del tipo de cerveza.

Si la cerveza posee un grado alcohólico de 9, nos indica que el porcentaje de etanol es del 9% en volumen. Este valor nos permite estimar que por cada 100 mL de cerveza que se consume, ingresa al organismo 9 mL de etanol puro.

El vinagre es un aditivo empleado en la preparación de alimentos y consiste en una solución acuosa de ácido acético, cuya concentración en volumen oscila entre el 8 y el 10%

FIGURA 13. Acido acético diluido, cuyo nombre comercial es vinagre.

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Unidades químicas de concentración. La relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente en una solución, también puede expresarse en unidades químicas de concentración. La unidad química de mayor uso es la Molaridad. • Molaridad.

Es la relación entre la cantidad de soluto, expresado

en mol, y el volumen de la solución, expresado en

litros.

(L)solución deVolumen

)(

molesensolutodeCantidadMMolaridad =

Ejemplo : Si 13,52g de Urea son disueltos en una cantidad de agua para hacer 1,000 L de solución. ¿Cual será su concentración molar? Primero se determina el número de moles de soluto

mol

molg

ggramosnurea 2253,0

60

52,13

ureamolar Masa

urea ===

Luego se determina la molaridad de la solución.

Molar 2253,01

2253,0

(L)Volumen

urea ===L

molmolesM

Este resultado nos indica que al agregar 13,52g de urea a un litro de agua, se obtiene una solución de concentración 0,2253 Molar.

Notas relevantes

El mol es una unidad de cantidad, empleada de forma común pero exclusiva en la química.

El mol como unidad fue propuesto por el científico Avogadro, quien determinó que un mol representa aproximadamente 6,02x1023

partes.

FIGURA14. Número de moléculas de distintos compuestos que representa un mol.

Para determinar el número de moles en una muestra de materia se necesita tener la masa atómica (átomo) o masa molar (molécula) de la mencionada muestra.

Los moles se determinan empleando la siguiente ecuación.

atómica omolar masa

)(

solutodemasamoln =

Si el soluto es un elemento puro, se emplea la masa atómica para determinar el número de moles. Si el soluto es un compuesto (unión de dos elementos o más) se emplea la masa molar para el calculo de los moles.

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Se desea preparar exactamente 0,25 L de 0,250 M de concentración de dicromato de potasio (K2CrO4), en solución acuosa. ¿Qué masa de dicromato de potasio deberíamos usar? Para determinar la masa de soluto se debe calcular los moles del mismo que deben estar presentes en solución. Para ello despejamos y calculamos los moles de soluto.

(L)solución deVolumen )( 42CrOKn

MMolaridad =

)( *42

LsoluciónladeVolumenMolaridadn CrOK =

LMn CrOK 25,0*250,042

=

moln CrOK 0625,042

=

Una vez obtenida la cantidad de moles de soluto se determina la masa del mismo, multiplicando los moles por su respectiva masa molar.

molarMasanm CrOKCrOK *4242

=

molgmolm CrOK 02,194*0625,0

42=

gm CrOK 1,1242

=

Para preparar una solución de dicromato de potasio 0,25 M, se necesita disolver 12,1g de este compuesto en agua, hasta alcanzar un volumen de 0,25L.

Ejemplo: Calcular la masa de soluto en una solución de molaridad conocida.

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Actividad: Ejercicios.

1. Calcule la molaridad de una solución de ácido fosfórico (H3PO4), que tiene una

pureza de 14,6% y una densidad de 1,08 g/mL.

2. Determine la molaridad de una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) de 67,40% de pureza y densidad 1,585 g/mL.

3. El ácido nítrico concentrado tiene 69% en peso de HNO3 y una densidad de 1,41

g/mL a 20 ºC. Determine el volumen y el peso del ácido concentrado que se necesita para preparar 100 mL de una solución 6M.

4. ¿Cuál es la molaridad de la solución que resulta al mezclar 375 mL de ácido

sulfúrico 1,2M con 250 mL del mismo ácido 0,4M? 5. Una marca muy conocida de productos químicos comercializa: a) Acido sulfúrico

concentrado al 96% de pureza y densidad de 1,84 g/mL. b) Acido sulfúrico al 45% de pureza y densidad 1,18 g/mL. ¿Cuál es la molaridad de cada una de las soluciones?. Si se mezclan 350 mL de la solución “a” con 280 mL de la solución “b”. ¿Cuál es la molaridad de la solución resultante?

6. Calcule el volumen aproximado de agua que debe añadirse a 250 mL de una

solución 1,25M para preparar una solución 0,5M

7. Se mezclan 400 mL de una solución de ácido sulfúrico 0,200M con 300mL de una solución del mismo ácido 0,500M y se agrega agua hasta un volumen de 2,0 L. ¿Cuál es la molaridad de la solución resultante?

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Actividad: Autoevaluación.

1) En 60 cm3 de una disolución acuosa de ácido sulfúrico del 44% en masa hay

35,46 g de H2SO4

a) La densidad de la solución es 1,343 g/mL. b) La masa de un litro de disolución es 591g c) En los 60 cm3 hay 33,6 cm3 de agua. d) Con estos datos no se puede conocer la densidad de la solución.

2) Se dispone de dos disoluciones A y B de igual concentración en el mismo soluto.

Señala la respuesta correcta:

a) La concentración de un litro de A es la misma que la concentración de 1/4 litro de B.

b) La concentración de 1/2 litro de A es la mitad de la concentración de un litro de B

c) La concentración de un litro de A es cuatro veces mayor que la concentración de 1/4 litro de B.

d) Para poder relacionar las concentraciones de las dos disoluciones necesitamos conocer el soluto.

3) En el laboratorio hay una botella de ácido clorhídrico al 37% en masa y d=1,19 g/ml.

a) En 100 ml del ácido clorhídrico hay 119 g de HCl. b) En un litro del ácido de la botella hay 630 ml de agua. c) Para preparar 100 ml de ácido clorhídrico 2,7M necesitamos 22,6 ml del

ácido de la botella. d) En medio litro del ácido clorhídrico hay 18,5 g de HCl.

4) 10,0 c.c. de una disolución acuosa de ácido sulfúrico del 70,0% en masa y

d=1,61g/c.c. se han diluido en el agua suficiente para formar 25,0 c.c. de disolución. La molaridad de la disolución obtenida es:

a) 0,115 mol/l b) 4,6 mol/c.c. c) 4,6 mol/l d) 11,5 mol/l

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5) 200 ml de una disolución acuosa de ácido sulfúrico 0,5 M se agregaron en un vaso de precipitados que contiene 50 ml de agua.

a) El vaso contiene 6,023x1022 moléculas de H2SO4. b) La concentración de la disolución diluida es 2 M. c) En el vaso hay 12,5 g de H2SO4. d) La molaridad de la disolución resultante se reduce a la cuarta parte.

6) Una disolución acuosa de ácido sulfúrico comercial tiene un 80% en masa de

soluto y una densidad de 1,7 g/ml. Podemos afirmar que:

a) La masa de un litro de disolución es 1360 g. b) La molaridad es igual a 2. c) En un litro de disolución hay 1700 g de H2SO4. d) La masa de medio litro de disolución es 850 g.

7) Queremos preparar 250mL de una disolución acuosa de glucosa, C6H12O6 que

sea 0,2 molar en glucosa. Para ello necesitamos:

a) 0,05 g de glucosa. b) 4,5 g de glucosa. c) 9 g de glucosa. d) 180 g de glucosa.

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Respuestas.

• Crucigrama.

1 s 2 m 3 c o n c e n t r a c i o n l l u a b 4 d i s o l v e r i i l 5 s a t u r a d a i a d 6 l i q u i d a 7 s a o 8 d i l u i r 9 s o l v e n t e u t o

• Ejercicios.

1. 1,609 M. 2. 10,9M 3. 38,86 mL; 54,78g 4. 0,88 M 5. a: 18,02M; b: 5,42M; 12,42 M 6. 375 mL 7. 0,115M

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• Autoevaluación.

1. a 2. a 3. c 4. c 5. a 6. d 7. c

Recursos biliográficos.

• Petrucci, R.H, W. HARWOOD, g. HERRING. Química General.

Pearson Educación, S:A. • BROWN, T.L, H.E. LeMary jr y B.E. BURSTEN. Química. La Ciencia

Central. Prentice Hall.

• CHANG, R. química. 7ma Edición. McGraw-Hill. México. 2003.