Tema 5: Disoluciones - qfa.uam.es · de fusion y aumento del punto de ebullici´ on de las disoluciones de ... U SINO SI NO Homogenea ... Disoluciones 6 de noviembre de 2015 4 / 38

Tema 5: Disoluciones

Tipos de disoluciones.Concentracion.Solubilidad de gases.Diagramas de fases de dos componentes.Propiedades coligativas: presion osmotica, disminucion del puntode fusion y aumento del punto de ebullicion de las disoluciones deno electrolitos.Disoluciones de electrolitos.

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Clasificacion de la materia

Materia¿Puede separarse mediante un proceso fısico?

��

��

��+

QQQQQQs

SI NO

Mezcla Sustancia pura¿Es homogenea? ¿Se descompone por un

proceso quımico?��

AAAAAU

��

AAAAAU

SI NO SI NO

Homogenea Heterogenea Compuesto ElementoDisolucion


Definiciones

Una disolucion (solucion) es una mezcla homogenea, a nivelmolecular, de dos o mas sustancias.El disolvente (solvente) es el componente que esta en mayorproporcion. Determina ademas el estado de agregacion de ladisolucion.Los solutos son, por tanto, los componentes disueltos en eldisolvente.


Tipos de disoluciones

Disolvente Solutos EjemplosSolido Aleaciones: Acero (C+Fe), Bronce (Cu+Sn)

Solido Lıquido Amalgamas: Au(s) + Hg(`)

Gas Metal + H2(g)

Solido ClNa(s) + H2O(`)

Lıquido Lıquido CH3CH2OH(`) + H2O(`)

Gas CO2(g) + H2O(`)

Solido Naftalina en aire (sublimacion)Gas Lıquido H2O(`) en aire

Gas O2(g) en N2(g)


Composicion de las disoluciones: expresiones de lasconcentraciones

Tanto por ciento ( %) en masa, tambien denominado porcentaje.

% masai =masai∑j masaj

× 100 [ %]

Molaridad, M, tambien denominada concentracion molar, se suelerepresentar con corchetes, ej. [NaCl].

Mi =ni

Vdisolucion(`)

[molL

]Molalidad, m, tambien denominada concentracion molal.

mi =ni

masa de disolvente (kg)

[molkg

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Composicion de las disoluciones: otras expresiones

Tanto por ciento ( %) en volumen.

% volumen =volumen de soluto

volumen de disolucion× 100 [ %]

Fraccion molar, x , representa el tanto por 1 de moles de laespecie considerada.

xi =moles de especie i

moles de todos los componentes de la disolucion[No tiene]

Presenta ademas los lımites 0 ≤ x ≤ 1.Partes por millon, ppm:

ppmi =masai∑j masaj

× 106 [ppm]

Se usa para concentraciones extremadamente bajas de soluto(trazas).


Preparacion de disoluciones

Material necesario: vidrio de reloj, balanza, vaso de precipitados ymatraz aforado.

Pasos: Pesar la cantidad de soluto, disolverlo en un poco dedisolvente, enrasar y homogeneizar.En el caso de concentraciones muy bajas, las disoluciones finalesse preparan por dilucion de disoluciones de concentracionintermedia.

Vease http://www2.uah.es/edejesus/guiones/QB.pdf(Quımic General) Disoluciones 6 de noviembre de 2015 7 / 38

http://www2.uah.es/edejesus/guiones/QB.pdf

Entalpıa y entropıa de disolucion

La disolucion de una sustancia en un disolvente puedeconsiderarse como un proceso en tres etapas (reales o no):

separacion de las moleculas del soluto,separacion de las moleculas del disolventemezcla y acercamiento de las moleculas de soluto y disolventepara formar la disolucion.

La entalpıa del sistema aumenta en las dos primeras etapas ydisminuye en la segunda.El signo de la entalpıa total depende del balance global de lasentalpıas de las etapas. Puede ser positivo (proceso endotermicoo endoergico) o negativo (proceso exotermico o exoergico).En la disolucion de solidos en lıquidos, la entropıa casi siempreaumenta al formarse la disolucion.En la disolucion de gases en lıquidos, la entropıa suele disminuiral formarse la disolucion.


Solubilidad

Las sustancias completamente miscibles se pueden disolver entodas las proporciones.Las sustancias que se pueden disolver, pero no en todas lasproporciones, son parcialmente miscibles.La solubilidad es la concentracion maxima que puede alcanzar undeterminado soluto en un disolvente dado.La solubilidad depende de la temperatura y de la presion.Que una sustancia sea soluble en un disolvente (y en que medidalo sea) depende de la entalpıa y la entropıa de disolucion.En un sistema a T y P constantes, la solubilidad depende de lavariacion de la energıa libre de Gibbs en el proceso de formacionde la disolucion.


Disoluciones ideales y no ideales

Una disolucion es ideal si las fuerzas intermoleculares entre todaslas moleculas son iguales.La entalpıa de disolucion de una disolucion ideal es cero.En las disoluciones no ideales, tomando:

∆Ha: entalpıa para la separacion de las moleculas de soluto (> 0),∆Hb: entalpıa para la separacion de las moleculas de disolvente(> 0),∆Hc : entalpıa de interaccion entre las moleculas de soluto ydisolvente (< 0)

si ∆Ha + ∆Hb + ∆Hc < 0, el proceso de disolucion es exotermico;si ∆Ha + ∆Hb + ∆Hc > 0, el proceso es endotermico;si ∆Ha + ∆Hb + ∆Hc � 0, la sustancia no se disuelve.Las disoluciones de electrolitos nunca son ideales.


Temperatura y solubilidad

En la mayor parte delos casos, la solubilidadde los solidos enlıquidos sueleaumentar con latemperatura.Hay algunos casos enque esa solubilidaddisminuye con latemperatura.La solubilidad de lagran mayorıa de losgases en aguadisminuye con latemperatura.


Presion y solubilidad

En el caso desustancias solidas ylıquidas, la presionafecta poco a lasolubilidad.En el caso de gases, lasolubilidad siempreaumenta con la presion(Ley de Henry):

S = k · Pgas


Propiedades coligativas

Propiedades Coligativas: Son aquellas propiedades de una disolucionque dependen unicamente de la concentracion departıculas de soluto, y no dependen de la naturaleza otipo de soluto.Estan estrechamente relacionadas con la presion devapor a una temperatura dada, que es la presion queejerce la fase de vapor sobre la fase lıquida (solida),cuando el lıquido se encuentra en un recipiente cerrado,en equilibrio con la fase lıquida (solida).


Presion de vapor

Presion de vapor de una sustancia pura a una temperatura T : Es lapresion que ejerce la fase de vapor sobre la fase lıquida(solida), cuando el lıquido se encuentra en un recipientecerrado, en equilibrio con la fase lıquida (solida).

Sustancia pura(l) Sustancia pura(g)

Presion de vapor de una disolucion a una temperatura T : Es lapresion que ejerce la fase de vapor formada por loscomponentes volatiles de la disolucion sobre la faselıquida (solida), cuando el lıquido se encuentra en unrecipiente cerrado, en equilibrio con la fase lıquida(solida).


Ley de Raoult

Francois-MarieRaoult (1887)

La presion parcial del vapor de unaespecie i de una disolucion ideal, auna temperatura T , si el vapor secomporta como un gas ideal, vienedada por:

Pi = xi · P∗i

donde P∗i es la presion de vapor de la

sustancia i pura a la temperaturaconsiderada y xi la fraccion molar dei en el lıquido.La presion de vapor total viene dadaentonces por:

Pv =∑

i

xi · P∗i


Presion de vapor de una disolucion ideal de doscomponentes

Para una disolucion ideal de dos componentes, A y B, que siga la leyde Raoult:

PA = P∗A xA

PB = P∗B xB = P∗

B (1− xA)

Ptot = PA + PB

= P∗A xA + P∗

B (1− xA)

= (P∗A − P∗

B) xA + P∗B


Composicion del lıquido y del vapor de una disolucionideal de dos componentes

XA: fraccion molar de A en el sistemacompleto.

xA: fraccion molar de A en la faselıquida.

yA: fraccion molar de A en la fasegas.

XB: fraccion molar de B en el sistemacompleto.

xB: fraccion molar de B en la faselıquida.

yB: fraccion molar de B en la fasegas.


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion


Destilacion del petroleo


Desviaciones de la idealidad

Ley de Henry: Ps = Kh,s xs

Desviaciones positivas Desviaciones negativas


Desviaciones grandes respecto a la idealidad



Azeotropos



Desviaciones negativas respecto a la idealidad

Disolucion de agua (H2O) y acido formico (HCOOH)


Desviaciones positivas respecto a la idealidad

Disolucion de cloroformo (CHCl3) y metanol (CH3OH)


Osmosis

El fenomeno de osmosis es el paso de un disolvente puro a unadisolucion que esta separada por una membrana semipermeable,que deja pasar el disolvente pero no el soluto.


Presion Osmotica

El fenomeno de osmosis es el paso de un disolvente puro a unadisolucion que esta separada por una membrana semipermeable,que deja pasar el disolvente pero no el soluto.La presion osmotica, π, es la presion que se debe aplicar a ladisolucion para detener la difusion del disolvente.Como es una propiedad coligativa, dependera unicamente de laconcentracion de moleculas de soluto, pero no de su naturaleza.Se puede obtener mediante una ecuacion formalmente analoga ala ecuacion de los gases ideales:

πV = nRT −→ π = MRT

donde n es el numero de moles de soluto disueltos, V el volumen dela disolucion, R la constante de los gases ideales y M = n/V laconcentracion molar del soluto.


Presion Osmotica Celular

Imagenes obtenidas de:http://podcast.nhart.org/groups/7thgradescience/weblog/42420/


http://podcast.nhart.org/groups/7thgradescience/weblog/42420/

Descenso crioscopico y aumento ebulloscopico

Descenso crioscopico:T M

f − T Df = −K D

f m, dondeK D

f es la constantecrioscopica del Disolvente ym la molalidad.Aumento ebulloscopico:T M

e − T De = K D

e m donde K De

es la constanteebulloscopica del Disolvente.Unidades de K D

f y K De :

◦C ·m−1 = K ·m−1


Disoluciones de electrolitos

Un electrolito es una sustancia que produce iones en disolucion.Las disoluciones de electrolitos conducen la electricidad.Para un disolvente dado un electrolito es fuerte si aconcentraciones moderadas conduce bien la electricidad.En caso contrario se dice que el electrolito es debil.Un electrolito es verdadero si esta formado por iones en estadopuro. La mayorıa de las sales son electrolitos verdaderos.Un electrolito es potencial si esta formado por moleculas sincarga en estado puro que pueden reaccionar con el disolventeproduciendo iones. Los acidos organicos debiles son electrolitospotenciales.


Factor de Van’t Hoff

Las disoluciones de electrolitos presentan importantesdesviaciones respecto al comportamiento ideal.Descenso crioscopico: T M

f − T Df = −K D

f φν m.Aumento ebulloscopico: T M

e − T De = K D

e φν m.Presion osmotica: π = φν MRTEn los tres casos, el factor φν recibe el nombre de factor de Van’tHoff.El factor de Van’t Hoff depende del numero de iones que segeneran en la disolucion y de la interaccion entre ellos.


Factor de Van’t Hoff

Molalidad, m

Soluto 1.0 0.10 0.010 0.0010 · · · Dil. inf.NaCl 1.81 1.87 1.94 1.97 · · · 2MgSO4 1.09 1.21 1.53 1.82 · · · 2Pb(NO3)2 1.31 2.13 2.63 2.89 · · · 3


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