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• ROVER DECENA SALINAS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica OCTAVO LABORATORIO SOLUBILIDAD Y PREPRACION DE SOLUCIONES

Curso: Química I Alumnos: Alejandro Zarate, Jarek Jhussef Portella Ramirez, Alvaro Enrique Huillcas Farfan, Walter Manuel Challco Taype José

Sección: S-G2-Metalurigia Código: 2019-1

INTRODUCCION Cuando dos o más sustancias puras se mezclan y no se combinan, químicamente aparece una mezcla. Dicha mezcla puede ser separada en sus componentes simplemente por métodos físicos, clasificándose en homogéneas y heterogéneas. Pero en esta práctica de laboratorio practicaremos mezclas homogéneas conocidas como soluciones, la cual está compuesta por soluto y solvente. El solvente más común es el agua. Para explicar las interrelaciones que hay entre un soluto y un solvente, haremos uso de las concentraciones de una solución, llamadas unidades químicas de concentración, las cuales son molaridad (M), normalidad (N), molalidad (m), entre otros. IMPORTANCIA DE LAS SOLUCIONES Más del 90% de las reacciones químicas ocurren en soluciones y más del 95% de las reacciones químicas que ocurren en soluciones se dan en soluciones acuosas. El estudio de las soluciones es muy importante,

debido a sus múltiples usos en la industria, en el hogar y en los seres vivos

Objetivos: Aprender a preparar soluciones teniendo como dato las concentraciones. Preparar soluciones a partir de otras soluciones con diferentes concentraciones dadas (molaridad, normalidad y molalidad).

FUNDAMENTO TEORICO SISTEMAS DISPERSOS Definición: Son dispersiones de moléculas, iones, agregados moleculares y partículas de diámetro variables, en el seno de una fase continua, denominada fase dispersante. Ejemplo: Leche de magnesia, mayonesa, agua azucarada, suspensión de arena en agua, etc.

Propiedad Tamaño de la partícula de las fase dispersa Separación

Soluciones < 1nm

Coloides Entre 1 y 1 000 nm

Suspensiones > 1 000 nm

No se pueden separar por filtración (papel filtro), ni diálisis (membranas semipermeables) Soluto y solventes no se pueden diferenciar con ningún tipo de microscopio Movimiento molecular

No se pueden separar por filtración (papel filtro), pero si se pueden separar por diálisis (memb.semipermeables) Visible en un microscopio electrónico

Se pueden separar por filtración (papel filtro), y por diálisis (membranas semipermeables) Visible a simple vista o en un microscopio óptico

Movimiento browniano

Paso de la luz

generalmente son transparentes. No dispersan la luz (no presenta efecto Tyndall)

Tipo de mezcla

Homogéneo

Raras veces son transparentes, generalmente son opacos, turbios y/o lechosos. Dispersan la luz (Presentan efecto Tyndall) Micro heterogéneo

Tiene movimiento solo por gravedad (sedimentación) Son opacas, turbios o lechosos. Dispersan la luz (Presentan efecto Tyndall)

Visibilidad

Movimiento

Heterogéneo

COLOIDES Por el tamaño de las partículas dispersadas pueden denominarse sistemas micro heterogéneos. Las partículas no llegan a caer por su propio peso (no sedimentan). Son sistemas poco estables, es decir la fase dispersada puede separarse fácilmente de la fase dispersante mediante la adición de un agente coagulante (se produce la coagulación). Según la afinidad de las partículas coloidales por la fase dispersante, se denominan liofobos, cuando no tienen afinidad y liófilos cuando tienen afinidad. Si el medio dispersante es agua los términos son hidrófobos e hidrófilos respectivamente. Ejemplos:

espuma

Fase aparente del coloide gas gas gas liquido liquido liquido solido solido solido

emulsión

Fase dispersante gas gas gas liquido liquido liquido solido solido solido

Fase dispersa gas liquido solido gas liquido solido gas liquido solido

aerosol solido

Tipo de coloide Son soluciones aerosol Aerosol solido espuma emulsión Sol/pasta Espuma solida Espuma solida Sol solido

Ejemplo

niebla humo Crema batida mayonesa Pasta/dientes malvavisco mantequilla Rubí, aleación

SUSPENSIONES La fase dispersa no tiene mayor afinidad por la fase dispersante. Las partículas se mantienen distribuidas por el movimiento que éstas pueden haber adquirido. Cuando el movimiento cesa, las partículas sedimentan por su propio peso. Estas partículas se pueden separar por filtración simple o sedimentación.

SOLUCIONES Son sistemas homogéneos, en los cuales una o más sustancias están distribuidas o disgregadas en otra a nivel molecular o iónico. Son sistemas estables, no se separan por filtración, no existe procedimiento de diferenciar el soluto del solvente y son transparentes. Componentes: *Solvente: componente en mayor proporción *Solutos: componentes en menor proporción SOLUCIÓN = SOLVENTE + SOLUTOS

Tipos de soluciones -Por el número de componentes *Binarias (un solvente + un soluto) *Ternarias (un solvente + dos solutos) -Por el tipo de solvente *Acuosas ( si el solvente es agua) *Alcohólica ( si el solvente es alcohol) -Por la naturaleza del soluto *Iónicas (el soluto se ioniza o disocia en iones) son electrolitos (conducen la corriente eléctrica) *Moleculares (el soluto se disgrega solo a nivel molecular) son nos electrolíticos (no conducen la corriente eléctrica) -Por su estado físico Estado de la solución Gas Gas Gas Liquido

Estado del solvente Gas Gas Gas Liquido

Estado del soluto Gas Liquido Solido Gas

Liquido

Liquido

Liquido

Liquido

Liquido

Solido

Solido Solido

Solido Solido

Gas Liquido

Solido

Solido

Solido

Ejemplo Aire(N2, O2, y otros) Coloides ! Coloides ! Gaseosa(H2O, CO2, sacarosa, y otros) Vinagre(H2O y ácido acético) Agua de mar(H2O, NaCl, y muchos otros) Hidrógeno en platino Amalgama para dientes (Ag-Sn-Hg) Latón amarillo(Cu-Zn)

SOLUBILIDAD El término solubilidad tiene dos acepciones: *Facilidad con la que el soluto se distribuye en el solvente. *Máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cantidad dada de solvente a determinada temperatura. Una solución así preparada se denomina saturada.

Solubilidad = St°C

= gramos disueltos como máximo 100g solvente

Curvas de solubilidad *Cada punto en la gráfica indica la masa de soluto por cada 100 g de solvente en una solución saturada. *Una solución es concentrada si la masa de soluto está cercana al valor máximo (S) *Una solución es diluida si la masa de soluto es mucho menor que el máximo indicado por S. *Una solución es sobresaturada si contiene más soluto que lo indicado por S (sistema muy inestable). S

sobresaturada

saturada concentrada

diluida t °C SOLUCION SATURADA Son aquellas soluciones termodinámicamente estables donde se encuentra disuelto la máxima cantidad de soluto en un equilibrio dinámico de cristalización y disolución. SOLUCION NO SATURADA Son llamadas también soluciones insaturadas y contienen menor cantidad de soluto de lo que establece la solubilidad, es decir, si se añade mayor cantidad de soluto aún podría disolver. Toda solución no saturada tiende a ser saturada por evaporación del soluto. SOLUCION SOBRESATURADA Son aquellas soluciones que contienen disuelto mayor cantidad del soluto de lo que establece la solubilidad y como involucra un equilibrio meta estable con el tiempo tiende a precipitar el exceso formando una solución saturada.

FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD Interacciones soluto-disolvente Dossustanciasquetienenelmismotipoymagnituddefuerzasintermolecularesseránsolublesentresí. “Lo semejante disuelve lo semejante”

Disolución de NaCl(s) en H2O(L)

Efecto de la temperatura en la solubilidad Disolución de sólidos en líquidos *El efecto de la temperatura en éste caso se ha observado en las curvas de solubilidad antes mostradas. *Esta disolución puede presentarse de dos modos, de acuerdo a la energía involucrada: solvente + soluto

solución + calor

solvente + soluto + calor

solución

proceso exotérmico proceso endotérmico

Solubilidad de gases en líquidos La solubilidad normalmente disminuye a medida que aumenta la temperatura gas + líquido

solución + calor

Efecto de la presión en la solubilidad La presión no ejerce mayor efecto sobre la solubilidad de sólidos en líquidos, pero si en la solubilidad de los gases en líquidos: A una T determinada, el aumento de presión implica un incremento en la solubilidad del gas en el líquido.

CONCENTRACION DE UNA SOLUCION Las propiedades de una solución dependen directamente del número de partículas disueltas en ella. Concentración= indica la composición cuantitativa de una solución e indica la cantidad de soluto disuelta en determinada cantidad de solvente o de solución. Formas de expresar la concentración: -Unidades Físicas de concentración *Porcentaje en masa de soluto *Porcentaje en volumen de soluto -Unidades Químicas de concentración *Molaridad *Normalidad *Molalidad *Fracción molar

Unidades físicas de concentración *Masa de soluto por volumen de solución Indica la masa de soluto disuelta en cada litro de solución. Es lo que comúnmente se denomina Concentración (C). C= Concentración= masa sto Vsol

Unidades: g/L; mg/L, etc.

*Porcentaje en volumen y masa Indica las partes de soluto contenidas en 100 partes de solución, por volumen o masa, respectivamente. %Vsto = Vsto(100) Vste

%msto = masa sto (100) masa ste

Unidades Químicas de Concentración Son las que relacionan moles de soluto por unidad de masa o volumen de solución o solvente. NOMBRE Concentración molar o Molaridad

Concentración normal o Normalidad

Concentración molal o Molalidad

Fracción Molar

CALCULO M= nsto Vsol(L)

UNIDADES mol/L

eq/L N= #Eq sto Vsol(L)

m= nsto mste

X=

nsto nsolución

mol/kg

adimensional

INTERPRETACION Expresa el número de moles de soluto disueltos en cada litro de solución. Expresa el número de equivalentes de soluto disueltos en cada litro de solución Expresa el número de moles de soluto disueltos en cada kilogramo de solvente. Expresa el tanto por uno en moles correspondiente al soluto o al solvente.

PROCEDIMIENTO: Experimento 1: Preparar 20 ml de solución de sulfato de cobre (CuSO4.5H2O) al 5% en masa, densidad de la solución 1.022 g/cm3.

𝜌=

Entonces:

𝑚 𝑣

𝑚 =1.022 20

m=20.44 g Después: Pero:

x=5/100×20.44 →x=1.022 g (CuSO_4.5H_2 O) 1.022 g……………………… CuSO_4 (159.5) X

……………………….. CuSO4.5H2O (249.5)

1.022/159.5=x/249.5 Entonces se halla una 1.6 g de CuSO_4.5H_2 O Experimento 2: Preparar 50 ml de solución de NaCl 2M. ♦Para ello usamos la siguiente relación:

𝒏ú𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒔(𝒎𝒐𝒍)𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒐

Molaridad=

𝒗𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏(𝑳𝒊𝒕𝒓𝒐𝒔)𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏

♦ Según la relación aplicamos a NaCl 2M. →2M (NaCl)= 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠)𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 /50mL →50x2x10−3xMxmL = 0.1 moles ♦ Usando otra relación de moles:

Número de moles=

𝑴𝒂𝒔𝒂(𝒈𝒓𝒂𝒎𝒐𝒔) 𝒈 ) 𝒎𝒐𝒍

𝒑𝒆𝒔𝒐 𝒎𝒐𝒍𝒆𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓(

→Peso molecular NaCl: 58.5 g/mol →0.1 mol = masa (g)/ 58.5g/mol →Masa (NaCl) g = 5.85 gramos → Entonces necesitamos coger 5.85 gramos de NaCl para preparar la solución de NaCl 2M. Experimento 3: Preparar 50 ml de solución con densidad 1.02 g/cm3 de NaCl al 2% de masa utilizando la solución anterior. Calculando: 𝑴=

𝑀= Luego:

10 × 𝜌𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × %𝑚 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟

10 × 1.02 × 2 → 𝑀 = 0.3487 58.5

𝑁1 × 𝑉1 = 𝑁2 × 𝑉2 𝑁 = 𝑀×𝜃 →𝑁 = 𝑀×1 →𝑁 = 𝑀 2 × 𝑉 = 0.3487 × 50 → 𝑉 = 8.72 𝑚

Experimento 4: preparar 50ml de solución de NaCl 0.1N utilizando la solución preparada en el experimento número 2. ♦ Para ello utilizamos la siguiente relación:

Normalidad=Molaridad →Para NaCl Ө = 1 →0.1 N = M (Molaridad) x1 → Molaridad=0.1M ♦ Ahora tendremos que aplicar otra relación:

𝑴𝟏 𝑽𝟏 =𝑴𝟐 𝑽𝟐 → (0.1M) x (50mL)= (2M) x (V)

→ V = 2.5 mL………… De 2M NaCl →Entonces para preparar 50 ml de solución de NaCl 0.1N debemos usar 2.5 mL de NaCl 2M y agregarle suficiente agua hasta llegar a los 50 mL (el proceso se llama dilución).

CUESTIONARIO: Cuál es la diferencia entre: Soluto y Solvente En química, el soluto y el solvente son dos de los componentes de una solución. El soluto es la sustancia que se disuelve en una solución. Por lo general, el soluto es un sólido que se disuelve en una sustancia líquida, lo que origina una solución líquida. El solvente, también conocido como disolvente, es la sustancia en que se disuelve un soluto, generando como resultado una solución química. Generalmente, el solvente es el componente que se encuentra en mayor proporción en la solución. Molaridad, Molalidad y Normalidad La molaridad a concentración molar, es una medida de la concentración de un soluto en una disolución, o de alguna especie molecular, iónica, o atómica que se encuentra en un volumen dado. La molalidad (m) es el número de moles de soluto que contiene un kilogramo de disolvente. Para preparar disoluciones de una determinada molalidad. La concentración Normal o Normalidad, es el número de pesos equivalentes por litros de solución. ¿Cómo determinaría que una solución está saturada, e insaturada o sobresaturada? Explicar. SOLUCIÓN SATURADA: cuando no puede recibir más soluto porque pasaría su capacidad de disolución, es decir, el solvente no acepta. SOLUCIÓN INSATURADA: cuando su capacidad de disolver soluto aún no ha sido rebosada y se encuentra con capacidad de recibir mas soluto a una temperatura dada. SOLUCIÓN SOBRESATURADA: cuando tiene exceso de soluto que no se disuelve, por lo que se observa que una parte del soluto va al fondo del recipiente ¿Cuántos gramos de hidróxido de sodio se requieren para preparar 5 l de una solución de hidróxido de sodio 0?01M? 𝑚 𝑚 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟(𝑁𝑎𝑂𝐻) 𝑛 40 𝑀= = → 0.01 = 𝑉(𝑙) 𝑉(𝑙) 5

∴ 𝑚 = 0.08 𝑔 ¿Cómo prepararía 500 ml de una solución de ácido sulfúrico al 30% en masa (𝝆 = 𝟏. 𝟐𝟐 𝒈/𝒄𝒎𝟑 )? Describir el procedimiento.

Calculando: 𝑴=

10 × 𝜌𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × %𝑚 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟

𝑀=

10 × 1.22 × 30 98

𝑀 = 3.7347

Explicación: Debemos comenzar el procedimiento con una solución cuya concentración conozcamos, y luego con la formula podemos calcular cualquier volumen a determinada concentración.

Calcular la molalidad de cada una de las siguientes soluciones a cosas. Una solución de ácido fosfórico al 12% en masa en 1 kg se STE: 12% × 1𝑘𝑔 = 120𝑔 120 𝑛 𝑚= = 160 𝑘𝑔𝑆𝑇𝐸 1 𝑚 = 0.75

Una solución de ácido fosfórico 2M de HCl (𝜌 = 1.1 𝑔/𝑚𝑙) 𝑴=

10 × 𝜌𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × %𝑚 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟

2=

10 × 1.1 × %𝑚 160

%𝑚 = 29.09 Después: 29.09% × 1𝑘𝑔 = 290.9𝑔

290.9 𝑛 𝑚= = 160 𝑘𝑔𝑆𝑇𝐸 1 𝑚 = 1.82

Una solución de ácido fosfórico 3.6N que se utiliza en reacciones en las que reemplazan todos los iones hidrógeno (𝜌 = 1.21 𝑔/𝑚𝑙) Del dato: 𝜃 = 3 ; (𝐻3 𝑃𝑂4 ) 𝑁 = 𝑀 × 𝜃 → 3.6 = 𝑀 × 3 → 𝑀 = 1.

𝑴=

10 × 𝜌𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 × %𝑚 10 × 1.21 × %𝑚 → 1.2 = 𝑚𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 160 %𝑚 = 15.868

Por consiguiente: 15.868% × 1𝑘𝑔 = 158.68𝑔

𝑛 𝑚= = 𝑘𝑔𝑆𝑇𝐸

158.68 160 1

𝑚=1

Describir la preparación de 1 l de una solución 0.646M de HCl, a partir de una solución 2M de HCl. Por teoría: 𝑁1 𝑉1 = 𝑁2 𝑉2 Remplazando:

0.646 × 1 = 2 × 𝑉2 ∴ 𝑉2 = 3.23 𝑙 = 323 𝑚𝑙

Explica porque una solución de HCL en benceno no conduce la electricidad, mientras que si lo hace en agua: Porque el benceno es una sustancia no polar que no permite la disociación iónica del HCl que sí se presenta en el agua. Como no existen iones libres en el líquido, entonces no hay flujo de electrones y por lo tanto, no hay conducción de la electricidad.