Propiedades de Líquidos y Disoluciones; Concentraciones

Introduccion

Líquidos

Un líquido tiene un volumen definido, casi no modificado por la presión; pero su forma es la del recipiente que lo contiene. Las moléculas de un líquido, están menos separadas que las de un gas y tienen mayor interacción entre sí. La acción mutua entre las moléculas de un líquido se manifiesta en la tensión superficial. Esta determina límites muy bien definidos entre los líquidos y otros estados de la materia. Estos límites se llaman interfases. Cuando una molécula de un líquido está rodeada totalmente por otras moléculas ( es decir en cual­quier parte del líquido menos en la interfase) es atraída por ellas y se dice: que las fuerzas son esféricamente simétricas, por lo que el resultado neto es como si no hubiera fuerzas atrayendo ala molécula. Prácticamente en la parte superior de la interfase no hay moléculas y por consiguiente una inoléctila que esta en la interfase sólo es atraída por las moléculas que están debajo de ella, lo cual tiende a reducir la superficie a un mínimo y pone toda la superficie bajo tensión. Esta tensión hace que la superficie ofrezca una resistencia a la penetración.

La fuerza necesaria para vencer esta resistencia se llama tensión superficial. Otra manifestación de la atracción molecular en los líquidos es la viscosidad o resistencia a fluir. Debido a las diferencias en la estructura molecular, con las consiguientes variaciones en atracción, cada substancia líquida tiene una viscosidad propia. Las substancias de baja viscosidad fluyen fácilmente, v.gr.: el agua, etanol, gasolina; otras son altamente viscosas; v.gr.: los jarabes, la miel de abejas, los aceites lubricantes y comestibles.

Para que una molécula de un líquido pueda escapar hacia el espacio que la rodea es indispensable que posea cierta cantidad de energía. En todo líquido, a cualquier temperatura, siempre habrá algunas moléculas que ten­gan energías superiores a las energías promedio, lo que es suficiente para permitirles escapar del líquido. Se dice que hay evaporación cuando se escapan las moléculas de un líquido que está a cualquier temperatura in­ferior a su temperatura de ebullición. La relativa facilidad o dificultad de evaporación se denomina volatilidad.

Un líquido volátil es el que a presión normal se evapora fácilmente o hierve a baja temperatura.

Presión de vapor y equilibrio físico

Si se coloca un líquido dentro de un vaso de precipitados y éste se encierra dentro de un recipiente a temperatura constante, algunas de las moléculas en la superficie del líquido se escapan, evaporación, hacia el -espacio que las rodea. Sin embargo, algunas de las moléculas regresan, condensación, a la superficie del líquido. Inicialmente la velocidad de evaporación es mayor que la de condensación. Después de algún tiempo disminuye la velocidad de evaporación y aumenta la de condensación, hasta que las dos velocidades son iguales y se establece un equilibrio dinámico físico (ver Cap. 11) en el que continuamente y a la misma velocidad se evaporan moléculas del líquido y se condensan moléculas del espacio que lo rodea. El término equilibrio se usa para describir cualquier sistema en el que ocurren dos o más procesos a la misma velocidad. El adjetivo dinámico se usa para destacar que los procesos ocurren continuamente. Como en la evaporación y condensación no hay transformación de materia, se considera un equilibrio físico. En el punto de equilibrio, la presión del vapor saturado es la llamada presión de vapor en equilibrio. A una misma temperatura, la presión del vapor de un líquido volátil será mayor que la de un líquido menos volátil. La posición de equilibrio se define como el proceso o dirección de la reacción, que es favorecida por un determinado conjunto dc condiciones. El principio de Le Chatelier enuncia cómo la posición de equilibrio es afectada por diversos factores.

Principio de Le Chatelier

"Si sobre un sistema en equilibrio se ejerce una fuerza (tal como cambio de presión, temperatura, concentra­ción, etc.) se produce un desplazamiento del equilibrio hacia el sentido que tiende a cancelar la fuerza ejercida".

Punto de ebullición

Cuando se aumenta la temperatura de un líquido hasta que su presión de vapor iguala a la presión en la superficie del líquido, el líquido empieza a evaporarse rápidamente. La temperatura en que esto ocurre se conoce como punto de ebullición La temperatura a la cual hierve un líquido depende de la presión sobre la superficie del líquido. A bajas presiones los líquidos hierven a menor temperatura que a presiones elevadas. Se define el punto normal de ebullición como la temperatura a la cual hierve un líquido cuando la presión es una atmósfera (760 mm de Hg.)

Calor de evaporación

El calor de evaporación es la energía calorífica necesaria para vaporizar un gramo de un líquido en su punto de ebullición (ver Cap. 12). La cantidad de calor necesario para vaporizar una mol de un líquido es llamada calor molar de vaporización siendo igual al calor de vaporización multiplicado por el peso molecular. Al condensarse se libera la misma cantidad de calor que se le había proporcionado. El calor de vaporización del agua a 100 ºC a 1 atm es 540 calorías por gramo (972 Btu por libra, a 212 ºF a 1 atm).

Ejemplo 1

¿Cuál es el peso del agua que hay en 4 litros de aire, saturado con vapor de agua, a 27 ºC? Suponga que el agua es un gas perfecto. La presión de vapor del agua (HOH) a 27 ºC es 26.7 mm de Hg.

Respuesta

 

Usando la ecuación de los gases perfectos

Substituyendo: .

Ejemplo 2

¿Cuánto calor se necesita para vaporizar 25 g de agua en su punto de ebullición?

Respuesta

Calor de vaporización = 540 cal por gramo

Por lo tanto:

      (540) X (25) = 13500 cal

Ejemplo 3

¿Cuánto calor se desprende en la condensación de 10 g de vapor a 100 ºC?

Respuesta

Calor de condensación =calor de vaporización =cal por gramo. Por lo tanto se desprenden (10) X (540)

= 5400 cal

Ejemplo 4

Se sabe que para vaporizar cierta cantidad de agua a 100 ºC se requieren 6410 cal. ¿Cuál es la cantidad de agua? Suponiendo que el vapor se comporta idealmente, ¿qué volumen ocupa toda esta agua a 100 ºC y atm?

Respuesta

Con 540 cal se vaporiza un gramo de agua a 100 ºC.

Por lo tanto:

Para averiguar el volumen usamos la ecuación:

P - 1 atm  V = ?   V = nRT/P  V = (0.66) (0.082) (373) (1)  V = 20.2 litros

Ejemplo 5

Un recipiente de seis litros está saturado con vapor de agua a 150 ºC y 1 atm. ¿Cuánto calor se obtiene cuando se condensa esta cantidad de vapor a 100 ºC?

Respuesta

Primero averiguamos el número de moles presente:

 

n = PV/RT      n = (1) (6)/(0.082) (423)      n = 0.17 moles

calor desprendido = (0.17) (18) (540) = 1650 cals

Disoluciones


Definiciones

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más substancias, cuyas proporciones relativas pueden variar dentro de ciertos límites. El componente menos abundante se llama soluto y el que está en mayor cantidad disolvente. Por ejemplo: la sal o el azúcar disueltos en agua forman una disolución salada o azucarada, respectivamente. Según cual sea la cantidad de substancia (soluto) añadida al agua (disolvente), la disolución será diluida si tiene poco soluto y concentrada si tiene mucho soluto; esto sólo es posible cuando el soluto es muy soluble en el disolvente. Cuando a cierta temperatura no es posible disolver más soluto, se dice que está saturada y si tiene un exceso y no está equilibrada con el sólido se le llama sobresaturada. En una disolución tanto el soluto como el disolvente puede ser sólido, líquido o gas. Así se puede tener un sólido disuelto en un líquido, un líquido en un gas, un gas en un sólido o cualquier otra permutación posible. Es indiferente hasta cierto punto el estado original del soluto, ya que en la disolución se encuentra dispersado hasta las dimensiones moleculares o iónicas.

Métodos pare expresar las concentraciones

Siendo variable la composición de una disolución, es necesarrio especificar la concentración de los solutos. Or­dinariamente se expresa la cantidad de soluto por cantidad de disolución. En algunos casos, es deseable especificar la cantidad de soluto en una determinada cantidad de disolverte. Las concentraciones pueden expresarse en unidades físicas o químicas.

Concentraciones expresadas en unidades físicas

(1) Masa de soluto por unidad de volumen de disolución

Pongamos como ejemplo 18 g de cloruro de sodio (NaCI) por litro de disolución. En este caso la concentración (Cd) del disolvente es igual a la masa (ms) del soluto entre el volumen del disolvente (Vd).

Ejercicio 6

Si se disuelven 16 g de KBr (bromuro de potasio) hasta ajustar con el disolvente un volumen de 0.50 1, ¿cuál será la concentración del KBr en gramos de soluto por litro de disolución?

Respuesta

Ejemplo 7

¿Cuántos gramos de nitrato de bario (Ba(NO3)2) se necesitan para preparar 50 ml de una disolución que contenga 0.25 g por litro?

Respuesta

Para ser consistente con las unidades, los 50 ml se expresan como 0.05 1 - 5 X 10-2 l.

Por lo que:

   x = cantidad de gramos de Ba(NO3)2 = 0.25 g/1 X 5.0 X 102 1

   x = 0.0125 g = 12.5 mg = 1.25 X 10-2 g

(2) Porcentaje en volumen

(Concentración centesimal en volumen) (volumen del soluto en 100 unidades de volumen de disolución). Esta unidad es útil cuando se refieren a gases disueltos en gas o líquidos en líquidos.

Ejemplo 8

Si a 15 ºC se añaden 50 m1 de etanol (C2H5OH) a 53.73 m1 de agua, se forman 100 ml de disolución. (Muchas disoluciones se efectúan con aumento o disminución de volumen). La disolución es (50/100) X 100 = 50°/ volumen de etanol.

(3) Porcentaje en peso

(Concentración centesimal en peso). El peso (por costumbre, pues lo que se expresa es la masa) por ciento, es la masa del soluto por 100 unidades de la disolución

Ejemplo 9

Si se disuelven 26.2 gramos de acetona (CH3)2CO en 24.5 gramos de agua, ¿cuál es el peso por ciento de ace-

tona en la disolución?

Respuesta

Ejemplo 10

¿ Cuál es el peso por ciento de bromuro de potasio (KBr), en una disolución en que hay 0.298 g de KBr, 0.854 g

de cloruro de sodio (NaCI) y 80.000 gramos de agua (H2O)?

Respuesta

(4) Masa de soluto por masa de disolvente

Se usa frecuentemente para expresar la solubilidad de un compuesto.

Ejemplo 11

A 20 ºC, se disolvieron 289 gramos de yoduro de potasio (Kl) en 155 gramos de agua. ¿Cuántos gramos de KI se disolverán en 1 Kg de agua?

Respuesta


Planteando la proporción:

Si 289.0 g se disuelven en 155 g, entonces x gramos se disolverán en 1000 g.

Por lo tanto:

(5) Masa del soluto por volumen de disolvente

En algunas tablas de solubilidad se usa esta unidad de concentración

Ejemplo 12

Si una disolución contiene 0.1 g de carbonato de sodio (Na2CO3) en 4.5 ml de agua. ¿Cuál es la concentración de Na2CO3 en gramos de soluto por litro de agua?

Respuesta
Se convierten los 4.5 ml en unidades de litro: 4.5 ml = 0.0451 = 4.5 X 10-2 1.

También se puede resolver planteando una proporción:

Si hay 0.1 gramos de Na2CO3 en -1.5 ml de agua, habrá x gramos en 1 l de agua

Por lo que:

Unidades químicas de concentración

(1) Molaridad

La molaridad se define como el número de peso molecular gramo (moles) de soluto disueltos en un litro de disolvente. El símbolo de la molaridad es M.

Ejemplo 13

¿Cuál es la molaridad de 1.2 moles de bromuro de rubidio (RbBr) en 185.5 ml de disolución?

Se dice que la disolución es 3.235 molar en RbBr

Cuando se manejan concentraciones pequeñas es más conveniente escribir la concentración en milimoles/litro o

milimolaridad, el símbolo es mM

mM = 103 M

Observe que milimoles por mililitro (mM/ml) es lo mismo que moles/litro (M).

(2) Formalidad

La formalidad es el número de peso fórmula-gramo de soluto por litro de disolvente. Su símbolo es F. Es costumbre usar el término molaridad para solutos iónicos en lugar de formalidad.

(3) Normalidad

La normalidad de una disolución es el número de peso equivalente-gramo (peso equivalente-gramo = p.eq.) de soluto en un litro de disolución. El símbolo de la normalidad es N. El peso-equivalente gramo de un ácido es el cociente de su peso molecular-gramo entre los iones hidrógeno (H+) que puede liberar. El p.eq.g. de una base o álcali, es el cociente de su peso molecular-gramo entre los iones oxhidrilos (OH-) que tiene. El peso equivalente-gramo de las sales es el cociente del peso molecular-gramo entre las valencias del metal.

Ejemplo 14

Si se disuelven 41.0 g de ácido fosfórico (H3PO4, P.M. = 98) en agua hasta un volumen final de 375 ml, ¿Cuál es la normalidad de la disolución?

Respuesta

Ejemplo 15

¿ Cuál es la molaridad de la disolución en el ejemplo anterior?

Repuesta

(4) Molalidad

Es el número de moles de soluto que hay en un kilogramo de disolvente. Este valor es independiente de la temperatura. El símbolo es in. Se utiliza en la determinación de propiedades coligativas (Cap. 6).

Ejemplo 16

Se disolvieron 1.75 moles de agua en 425 gramos de etanol. ¿ Cuál es la molalidad del agua?

La disolución es 4.12 molal en agua.

(5) Fracción mol

La fracción mol es el número de moles de un determinado soluto dividido entre el número total de moles de todos los otros solutos y el disolvente. El símbolo es xi.

La suma de todas las fracciones mol debe ser la unidad: X1+ x2 + x3 + . . . xi = 1

La mol por ciento es 100 xi. El símbolo es xi

Ejemplo 17

Una disolución contiene 71.0 g de Na2CO3, (P.M. = 106.00), 79.9 g de NaBr (P.M. = 102.91) y 200 g de agua (P.M. = 18.00). ¿ Cuál es la fracción molar de NaBr?

Respuesta

Ejercicios:

1. (a) Cuánto calor se desprende al condensar 20 g de vapor de agua a 100°? (b) Cuánto calor se desprende al enfriar los 20 g de agua de 100 ºC a 20 ºC? (c) Cuál fue el calor total desprendido?

2. (a) Cuánto calor se necesita para vaporizar a 100 ºC, 40 g de agua que están a 10 ºC? (b) ¿Y para elevar la temperatura de este vapor de agua de 100 ºC a 120 ºC?

3. Calcule la concentración centesimal en peso de una disolución de 2.5 g de una substancia en 30 g de agua (dens. = 1.0).

4. Una disolución acuosa contiene 8.00 % en peso de azúcar y tiene una densidad de 1.03 g/ml. Cuántos gramos de azúcar hay en 400 ml de la disolución?

5. Cuántos gramos de hidróxido de sodio (NaOH) y de agua, se necesitan para preparar 100 g de una disolución de NaOH al 19.7% en peso?

6. Con qué cantidad de agua deben diluirse 50 g de ácido nítrico (HNO3) al 60% para obtener una disolución de ácido al 20% en peso?

7. ¿Qué peso de cloruro de amonio ( NH4CI) se necesita para preparar una disolución que contenga 35 mg de NH4CI por ml?

8. ¿Qué cantidad de ácido sulfúrico ( H2SO4) de 98 % en peso debe añadirse a 2.0 Kg de ácido al 80% en peso para obtenerlo al 90% en peso?

9. Cuál será la molaridad de una disolución de 5.30 g de carbonato de sodio (Na2CO3) disueltos en 250 g de aguar

10. Exprese la composición del ácido clorhídrico (HCl) concentrado en una disolución acuosa de HCl al 35.4% en peso (densidad = 1.18 g/ml) en términos de las unidades siguientes:

(a) gramos de HCl por litro; (b) mg de ión cloruro (Cl-) por ml; (c) molaridad.

11. ¿Cuántas moléculas de glucosa ( C6H12O6) hay en 500 ml de una disolución al 10 % en peso (densidad -1.2 g/ml)?

12. Encuentre el volumen ocupado por 100 g de una disolución de hidróxido de sodio (NaOH) de densidad = 1.20 g/mol.

13. ¿En qué volumen de una disolución acuosa de ácido nítrico (HNO3) (densidad = 1.11 g/mol y concentración de 19% en peso) hay 15 g de HNO3?

14. ¿Qué peso de soluto se necesita para producir:

(a) 2.50 litros de disolución 1.20 M de hidróxido de sodio (NaOH);

(b) 50 ml de disolución 0.01 M de nitrato de plata (AgNO3)

(c) 400 ml de disolución de hidróxido de zinc (Zn(OH)2)

15. ¿Qué peso de soluto por ml hay, en cada una de las siguientes disoluciones acuosas?: (a) disolución de hidróxido de sodio (NaOH), dens. = 1.09 g/ml, concentración 9.00% en peso de NaOH; (b) En una disolución 0.10 M de NaOH.

16. ¿Cuál es la molaridad de cada una de las siguientes disoluciones acuosas?: (a) 50 g de permanganato de potasio (KmnO4) en 500 ml de disolvente; (b) disolución de ácido nítrico (HNO3), dens. = 1.160 g/mol con 27.0 % en peso de HNO3; (c) 12 g de cloruro de potasio (KCl) en 250 ml de disolución; (d) Disolución de ácido sulfúrico (H2SO4), dens. - 1.45, 55.0 % en peso de H2SO4.

17. ¿Qué porcentaje en volumen de benceno hay en una solución de 32.0 g de benceno en 300 ml de tolueno a 20 ºC? La densidad del benceno es 0.879 g/ml y los volúmenes del benceno y el tolueno son aditivos.

18. Una disolución acuosa de etanol (C2H5OH) a 15.6 ºC contiene 3.04% en peso de etanol. ¿Cuál es la concentración centesimal (%) en volumen del etanol? La densidad de la disolución es 0.9954 g/ml y la del etanol = 0.7939 g/ml.

19. ¿Cuál será la normalidad de una solución de 100 g. de hidróxido de sodio (NaOH) en suficiente agua hasta completar un litro de solución?

20. ¿Cuántos pesos-equivalente-gramo de soluto hay en 400 ml de una disolución 6.0 M de ácido sulfúrico (H2SO4)?

21. ¿Cuál es la normalidad de cada una de las disoluciones siguientes:

(a) 0.045 M de ácido fosfórico (H3PO4);

(b) 2.0 M de ácido nítrico (HNO3);

(c) disolución de hidróxido de amonio (NH4OH): dens. 0.910 g/ml; 25.0% en peso de HNO3.

22. ¿Cuál será la fracción molar de cada componente en cada una de las disoluciones siguientes? Los porcentajes son en peso.

(a) 30% metanol (CH3OH), 25 % etanol (C2H5OH) y 45 % H2O

(b) 30% CH30H y 70% C2H5 OH.

(c) 0.70 M de glicerina (C3H8O3) en H2O, densidad - 1.013 g/ml.

23. Calcule: (a) la composición centesimal en peso; (b) la molalidad; (c) la molaridad del tetracloruro de carbono (CCl4) en una disolución 0.2 mol por ciento de CCl4 en benceno (C6H6,). La densidad de la disolución = 0.893 g/ml.

24. ¿Cuál será la normalidad de una disolución obtenida al diluir 100 ml de ácido clorhídrico (HCl) 12.0 N hasta un volumen de un litro?

25. a) ¿Cuál será la molaridad de una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) al 98% en peso, cuya densidad es 1.8 g/ml? (b) ¿Cuál será su normalidad?

26. ¿Qué cantidad de hidróxido de potasio (KOH) hay que disolver para obtener 500 ml de una disolución 0.25 N de KOH?

27. Una disolución de ácido acético (CH3CO2H) se preparó como sigue: 72 g de CH3CO2H se disolvieron en un poco de agua y después se añadió agua hasta completar (aforar a) 600 ml. De esta disolución se tomaron 100 ml a los que se les añadieron primero, 200 ml de una disolución 4N de ácido acético y después 200 ml de agua. ¿Cuál es la normalidad de la última disolución obtenida?

28. Se disolvieron 13.5 g de azúcar de caña (sacarosa) (C12H22O11) en suficiente agua hasta completar 100 ml. La densidad, de esta disolución fue = 1.050 g/ml. Calcule: (a) la molaridad y (b) la molalidad de la disolución.

29. ¿Cuál será la concentración formal (formalidad = F) de una disolución de 1.89 g de sulfato de sodio (Na2SO4)en suficiente agua hasta obtener 86 ml de disolución?

30. Calcule la normalidad (N) y formalidad (F) de cada una de las disoluciones siguientes:

(a) 33.0 g de sulfato de amonio ((NH4)2SO4) en 200 ml de disolución;

(b) 83 g de yoduro de potasio (KI) en un litro de disolución;

(c) 6.25 g de sulfato cúprico pentahidratado (CuSO4 · 5H2O) en 50 ml de disolución;

(d) 5 g de nitrato de plata (AgNO3) en 25 ml de disolución.

Respuestas

1. (a) 1.08 X 104 cal

(b) El calor desprendido = masa X calor específico X la diferencia de temperatura = 20 g X 1 cal/g

X 80 t = 1.6 X 103 cal

(c) El calor total = (1.08 + 0.16) X 104 cal = 1.24 X 104 cal

2. (a) calor absorbido = masa X calor específico X diferencia de temperatura = 40 g X 1 cal/g X 90 ºC 36 X 103 cal. (b) El calor específico del vapor de agua es 0.5 cal/g; así que el calor absorbido = 40 g X 0.5 cal/g X 20 ºC = 400 cal.

3.

4. 33.0 g de azúcar

5. 19.7 g NaOH y 80.3 g H2O

6. Al añadir x g de agua, el peso de la disolución al 20% será (50 + x) g. La cantidad de HNO3 en ambas disoluciones será igual, por lo que:

7. 7.0 g de NH4CI

8. Al añadir x Kg de ácido al 98 % el peso del de 90% será (2 + x) Kg. Al efectuar la mezcla no se modifica el peso del H2SO4, de donde:

(x X 0.98) + (2 X 0.8) = (x + 2) X 0.9 figura x = 2.5 Kg de H2SO4 al 98%.

9. Se determina el peso molecular gramo (P.M.g.) del Na2CO3 = 106 g. Y por definición 106 g de Na3CO3 en 1000 g de agua constituyen una disolución 1 molal. Por lo que:

10. (a) 418 g de HCl por litro; (b) 0.406 mg Cl-/ml; (c) 9.7 M

11. 0.333 moles de glucosa

12. 83.3 ml

13. 70.5 ml

14. (a) 120 g de NaOH; (b) 0.085 g de NaOH; c) 19.88 g de Zn(OH)2

15. (a) 98.1 mg de NaOH; (b) 4 mg

16. (a) 0.63 M; (b) 4.97 M; (c) 0.64 M; (d) 8.14 M

17. volumen total = 300 ml + 32.0/0.879 = 336.4 ml % benceno = 36.4 X 100/336.4 - 10.8 % en volumen

18. El volumen de 3.04 g de etanol = 3.04 X 0.7939 = 3.83 ml. El volumen de 100 g de disolución es 100/0.9954 = 100:5 ml. Por lo que:

3.83 X 100/100.5 = 3.81 % en volumen de etanol.

19. El peso equivalente gramo = 100/40 = 25 y la normalidad (N) = 25 p.eq.g./1.0 1. normalidad de la disolución (N) = 2.5

20. 4.8 p.eq. g. de H2SO4

21. (a) 0.135 N; (b) 2.0 N; (c) 12.8 N

22. (a) CH3OH = 0.235; C2H5OH = 0.136; H2O = 0.628

(b) CH3OH = 0.381, C2H5OH = 0.619

(c) C3H8O3 = 0.0131, H2O = 0.987

23. (a) 3.86%; (b) 0.261 molal(m); (c) 0.224 M

24. 1.2 N

25. (a) 18 M; (b) 36 N

26. 7 g de KOH

27.2 N en ácido acético

28. (a) 0.395 M (b) 5.36 m (molal)

29. El peso-fórmula-gramo del Na2SO4 = 1.898/142g/pfg. - 0.0133 p.f.g.

Como la formalidad (F) = núm. de p.f.g. en un litro = 0.133 p. f.g./0.086 1. = 0.15 F

30. (a) 2.50 N y 1.25 F; (b) 0.5 N y 0.5 F; (c) 1.0 N y 0.5F; (d) 1.86 N y 1.86 F