DISOLUCIONES (SOLUCIONES)

Para que los cuerpos reaccionen deben estar necesariamente en contacto, esto es, sus moléculas deben chocar entre sí para poder originar, el intercambio de átomos, moléculas distintas. Esta mezcla íntima de las sustancias existe en la fase gaseosa y en disolución.

Como el manejo de gases es algo difícil, y además el número de sustancias gaseosas no es muy elevado, se comprende que la mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar en la industria y el laboratorio, se hacen en disolución, o por lo menos algunas de las sustancias reaccionantes se utilizan en el proceso correspondiente en estado disuelto.

Por este motivo, es necesario conocer exactamente la proporción de la sustancia disuelta en la disolución, esto es, su concentración, para calcular la sustancia empleada a partir de la disolución, o recíprocamente, para averiguar la cantidad que se precisa de ésta, bien en peso, o más frecuentemente en volumen, para tomar una cantidad determinada de sustancia disuelta.

Estudiaremos en el presente capítulo:

1) Concepto de disolución y sus partes
2) Los distintos tipos de concentración de una disolución
3) Unidades de concentración de las disoluciones (por cantidad de sustancia disuelta)

DISOLUCIONES (SOLUCIONES). CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES

Concentración
[De Wikipedia, la enciclopedia libre]

Estos vasos, que contienen un tinte rojo, demuestran cambios cualitativos en la concentración. Las soluciones a la izquierda están más diluídas, comparadas con las soluciones más concentradas de la derecha.

La concentración es la magnitud química que expresa la cantidad de un elemento o un compuesto por unidad de volumen. En el SI se emplean las unidades mol/m3.

La disolución está compuesta de dos partes: soluto y solvente.
SOLUTO: Es la parte de la disolución que se disuelve en el solvente, y se encuentra en menor proporción en la disolución.

SOLVENTE: Es la parte que disuelve al soluto, y se encuentra en mayor proporción en la disolución.

Por tanto, se cumple que SOLUCIÓN = SOLUTO + SOLVENTE

Cada substancia tiene una solubilidad que es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una disolución, y depende de condiciones como la temperatura, presión, y otras substancias disueltas o en suspensión.

En química, para expresar cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución se emplean distintas unidades: molaridad, normalidad, molalidad, formalidad, porcentaje en peso, porcentaje en volumen, fracción molar, partes por millón, partes por billón, partes por trillón, etc.

También se puede expresar cualitativamente empleando términos como diluido, para bajas concentraciones, o concentrado, para altas.

Para el nivel al cual va dirigido éste curso, solamente se trabajará con las concentraciones porcentuales:
a) % m/m, porcentaje masa-masa
b) % v/v, porcentaje volumen-volumen
c) %m/v, porcentaje masa-volumen

LEY DE DALTON

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES
LEY DE DALTON

PRESIÓN PARCIAL DE UN GAS EN UNA MEZCLA GASEOSA

LEY DE DALTON: Cada componente de una mezcla gaseosa ejerce una presión parcial igual a la que ejercercería si estuviera solo en el mismo volumen, y la presión total de la mezcla es la suma de las presiones parciales de todos los componentes.

Esta ley es de particular importancia cuando se trata de gases recogidos sobre agua, los cuales están saturados de vapor de agua, o gases húmedos, es necesario acotar que el volumen ocupado por el gas seco y el gas húmedo es el mismo si no varía el recipiente; pero las presiones del gas seco y del gas húmedo son distintas, cumpliéndose la siguiente ecuación

Presión total gas húmedo = Presión parcial gas seco + Presión parcial vapor de agua

La presión del vapor de agua varía con la temperatura, aqui enlazarás con la Tabla de las presiones del vapor de agua a distintas temperaturas

www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/pvh2o.pdf

Valgámonos de un ejemplo para explicar el fenómeno:

Si tenemos 2 litros de hidrógeno húmedo a 20 ºC, los 2 litros representan el volumen ocupado por el hidrógeno y el vapor de agua, pero si la presión de la mezcla es de 760 mm Hg, esta presión será la suma de la presión de vapor a 20 ºC y la presión parcial del hidrógeno, entonces:

DATOS:

Presión parcial vapor de agua a 20 ºC = 17,5 mm Hg

Presión total mezcla de gases = 760 mm Hg

entonces:

Presión total mezcla de gases = Presión parcial vapor de agua + Presión parcial hidrógeno

Conocemos la presión total de la mezcla de gases y la presión de vapor de agua a 20 ºC, podemos calcular la Presión parcial del hidrógeno, despejando así:

Presión parcial hidrógeno = Presión total mezcla de gases - Presión parcial vapor de agua

Presión parcial hidrógeno = 760 mm Hg - 17,5 mm Hg

Presión parcial hidrógeno = 742,5 mm Hg

En consecuencia, en la resolución de problemas en que intervengan gases húmedos sometidos a variaciones de temperatura y presión, debemos considerar el gas híumedo como si fuera seco y ocupara el mismo volumen a su presión parcial, es decir a la presión total menos la presión de vapor de agua a dicha temperatura.

Como aplicación de lo antedicho, se resolverá el siguiente problema:

Se recoge el gas oxígeno sobre agua a 25 ºC. El volumen del gas recogido es de 55 cc y la presión barométrica es de 758 mm Hg. Si el gas estuviera seco y medido en las condiciones normales de presión y temperatura, ¿cuál sería su volumen?
En primer lugar las condiciones normales de presión y temperaatura son 1 atmósfera = 760 mm Hg y 0 ºC = 273 ºK; transformamos también los 25ºC = 298 ºK.

Como el aire está húmedo a 25 ºC, quiere decir que contendrá vapor de agua, que a esa temperatura tendrá una presión parcial de 23,8 mm Hg, por tanto, calcularemos la presión parcial del oxígeno:

Presión parcial oxígeno = Presión total gas húmedo - Presión parcial vapor de agua

Presión parcial oxígeno = 758 mm Hg - 23,8 mm Hg

Presión parcial oxígeno = 734,2 mm Hg

condiciones iniciales
V1= 55 cc
P1= 734,2 mm Hg
T1= 298 ºK
condiciones finales
V2= ?
P2= 760 mm Hg
T2= 273 ºK


Utilizando la Ley Combinada de los gases, tenemos:

V2 = V1.P1.T2/P2.T1

V2= 55 cc . 734,2mm Hg . 273 ºK / 760 mm Hg . 298 ºK, eliminando las unidades comunes,

V2 = 48,7 cc




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PROBLEMA PARA RESOLVER

Una muestra de aire saturada con vapor de agua a 30 ºC y se halla a una presión de 700 mm Hg. ¿Cuál será la presión parcial de vapor de agua si la presión del gas se reduce a 100 mm Hg? La presión de vapor de agua a 30 ºC es de 31,8 mm Hg
Resultado 2,27 mm Hg

LEY COMBINADA DE LOS GASES

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

LEY COMBINADA DE LOS GASES

CORRECCIÓN SIMULTÁNEA DE TEMPERATURA Y PRESIÓN
Las variaciones de volumen de una masa determinada de gas tienen lugar con frecuencia por cambios simultáneos de presión y temperatura, para lo cual deberá usarse la siguiente fórmula matemática:
V1 . P1 . T2 = V2 . P2 . T1

Tomemos como referencia el ejemplo siguiente:

Cierta masa de un gas ocupa 200 litros a 95 ºC y 782 mm Hg ¿Cuál será el volumen ocupado por dicha masa de gas a 65 ºC y 815 mm Hg?

Lo primero que hay que hacer es la transformación de las unidades de temperatura
95 ºC = 368 º K y 65 ºC = 338 º K
Condiciones iniciales
V1 = 200 litros
P1 = 782 mm Hg
T1 = 368 ºK
Condiciones finales
V2 = ?
P2 = 815 mm Hg
T2 = 338 ºk

Utilizamos la fórmula V1 . P1 . T2 = V2 . P2 . T1 y despejamos V2

V2 = (V1 . P1 .T2) / (P2 . T1)
V2 = (200 l . 782 mm Hg . 338 ºK) / ( 815 mm Hg . 368 ºK) eliminando unidades comunes
V2 = 176,2 litros

PROBLEMAS PARA RESOLVER

1) El volumen observado de una cantidad de gas a 10 ºC y a la presión de 750 mm Hg es de 240 litros. Hallar el volumen que ocuparási la temperatura aumenta a 40 ºC y la presión disminuye a 700 mm Hg Resultado 284,4 litros

2) 1000 litros de aire medidos a la presión de 750 mm Hg y a la temperatura de 18 ºC se llevan a un tanque de 725 litros de capacidad. La temperatura final es de 27 ºCC ¿Cuál es la presión del aire en el tanque? Resultado 1067 mm Hg

3) Una masa de gas ocupa un volumen de 600 litros a 25 ºC y 775 mm Hg, se comprime dentro de un tanque de 100 litros de capacidad a la presión de 6 atm. Calcular la temperatura final del gas...Nota: transformar las atm a mm de Hg Resultado 19 ºC

2º FORMA: LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

2ª FORMA: LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC

CAMBIO EN LA PRESIÓN DE UN GAS AL VARIAR LA TEMPERATURA, A VOLUMEN CONSTANTE

Si el volumen de una masa dada de gas permanece invariable, al variar la temperatura cambia la presión en razón directa de la temperatura absoluta, de forma que:
P ~ T, o sea, P / T = constante, y , por tanto, P1 / T1 = P2 / T2 , o lo que es igual a
P1 . T2 = P2 . T1,
Esta última expresión nos permite resolver problemas gaseosos referentes a los cambios de presión-temperatura a volumen constante; veamos el ejemplo siguiente:

Un tanque metálico contiene un gas a la temperatura de 20 ºC y a la presión de 900 mm Hg. La temperatura del gas se eleva a 200 ºC. Suponiendo que no hay variación en el volumen del tanque, calcular la presión en el interior del mismo a esta nueva temperatura.

La primera operación que debemos efectuar es la transformación de las unidades de temperatura a valores absolutos, en este caso a ºK
20 ºC = 293 ºK 200 ºC = 473 ºK
Condiciones iniciales
T1 = 20 ºC = 293 ºK
p1 = 900 mm Hg
Condiciones finales
T2 = 200 ºC = 473 ºK
P2 = ?
Utilizando la fórmula: P1 . T2 = P2 . T1 y despejando la incógnita P2, tenemos
P2 = (P1 . T2) /T1
P2= (900 mm Hg . 473 ºK) / 293 º K eliminando unidades comunes
P2 = 1453 mm Hg


PROBLEMAS PARA RESOLVER

1) Un tanque se halla lleno de un gas a la presión de 4 atm y 10 º C. La válvula de seguridad se abre cuando la presión llega a 10 atm. Calcular la temperatura a que debe calentarse el tanque para que se abra la válvula de seguridad Resultado 708 ºK = 435 ºC

2) El aire del neumático de un automovil se halla a una presión de 30 libras/pulgada2, siendo la temperatura de 20 ºC. Suponiendo que no existe variación del volumen del neumático ¿Cuál será la presión si la temperatura aumenta a 40 ºC? ....Nota: no es necesario hacer transformaciones en las unidades de presión, pues el resultado puede ser expresado en libras/pulgada2 Resultado 32,05 libra/pulgada2

LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC

CAMBIO EN EL VOLUMEN DE UN GAS AL VARIAR LA TEMPERATURA, A PRESIÓN CONSTANTE

LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC: Si la presión se mantiene constante, el volumen de una masa dada de gas es directaamente proporcional a la temperatura absoluta.
La formulación matemática es:
V ~ T, o sea, V/T = constante, y por tanto, V1/T1 = V2/T2,
que también equivale a la expresión V1 . T2 = V2 .T1
cuya última expresión permite resolver cualquier problema gaseoso referente al cambio de volumen-temperatura de una misma masa de gas a presión constante.

UNIDADES DE MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA:
La temperatura absoluta se puede expresar en ºK (grados Kelvin) o en ºR (grados Rankine)
ºK = ºC + 273 y ºR = ºF + 460

Consideremos el ejemplo siguiente:

Una masa de gas ocupa 600 cm3 a 25 ºC. Si la presión se mantiene constante, ¿cuál será el volumen de dicha masa de gas a -5 ºC?

Como el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta, y dado a que las temperaturas del problema vienen expresadas en ºC, es necesaario transformar los ºC a ºK, aplicando la fórmula ºK = ºC + 273; quedando así las nuevas unidades 25 ºC = 298 ºK y, -5 ºC = 268 ºK

Condiciones iniciales
V1 = 600 cm3
T1 = 25 ºC = 298 ºK
Condiciones finales
V2 = ?
T2 = - 5 ºC = 268 ºK

Visualicemos la cuestión y planteemos la pregunta, ¿El volumen nuevo será mayor o menor que el volumen inicial, igual a 600 cm3?. Como se puede observar, la temperatura absoluta ha disminuído, por tanto, el volumen final será menor, ya que el gas al enfriarse se contrae.

Aplicaremos la fórmula V1 . T2 = V2 .T1 y despejando la incógnita V2, tenemos que:
V2 = (V1 . T2) / T1
V2 = (600 cm3 . 268 ºK) / 298 ºK
eliminando las unidades ºK comunes en el numerador y denominador, tenemos que:
V2 = 539,6 cm3 ,
tal y como se había determinado, el volumen final es menor, debido al enfriamiento de la masa de gas.

PROBLEMAS PARA RESOLVER

1) Una masa de gas ocupa 600 cm3 a 77 ºF. Si la presión se mantiene constante, ¿cuál será el volumen de dicha masa gaseosa a 23 ºF? Resultado 539,6 cm3

2)Un globo esférico de goma es llenado de aire a 19 ºC hasta una capacidad de 6 litros, si la temperatura ambiente se eleva hasta 28 ºC ¿Cuál sería la capacidad que el globo tendría que soportar?

LEY DE BOYLE

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

LEY DE BOYLE

CAMBIO EN EL VOLUMEN DE UN GAS AL MODIFICAR LA PRESIÓN A TEMPERATURA CONSTANTE

LEY DE BOYLE: El volumen ocupado por una misma masa gaseosa, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión que soporta. Est ley se conoce también como Ley de Marriotte, su formulación matemática es:
V ~ 1/P, o sea, PV = constante, y por tanto, P1.V1 = P2.V2
donde P = presión y V = volumen
P1 y V1 = condiciones iniciales
P2 y V2 = condiciones finales

UNIDADES DE MEDICIÓN DE LA PRESIÓN:
1 atmósfera (atm) equivale a 760 milímetros de mercurio (mm Hg)
1 atm = 760 mm Hg

Para resolver cualquier problema referente al cambio simultáneo de presión-volumen de una determinada masa gaseosa a temperatura constante, se deberá utilizar la expresión

P1 . V1 = P2 . V2. Consideremos el siguiente ejemplo:

Cierta cantidad de gas ocupa 76,8 cm3 a la presión de 772 mm Hg. ¿Cuál será su volumen a la presión de 760 mm Hg?
Para resolverlo, visualicemos primero el problema e intentemos predecir el resultado. Como el gas pasa, de unas condiciones iniciales de 772 mm Hg a unas condiciones finales de 760 mm Hg, esto indica que pasa de una presión mayor a otra menor, el nuevo volumen será mayor debido a la expansión, ya que al disminuir la presión sobre el gas, aumenta la capacidad del recipiente.

Condiciones iniciales
V1 = 76,8 cm3
P1 = 772 mm Hg
Condiciones finales
V2 = ?
P2 = 760 mm Hg

Aplicamos la fórmula V1 . P1 = V2 . P2 y despejando la incógnita V2, tenemos:
V2 = V1 . (P1 / P2)
V2 = 76,8 cm3 . ( 772 mm Hg / 760 mm Hg)
eliminando las unidades comunes en el numerado y el denominador
V2 = 78,0 cm3, tal y como se había predicho, el volumen aumenta.

PROBLEMAS PARA RESOLVER:

1)La presión que se ejerce sobre 25 litros de un gas aumenta desde 15 atm. a 85 atm. Calcular el nuevo volumen si la temperatura permanece constante. Resultado 4,42 litros

2) Un gas que tiene un volumen de 250 litros a la presión de 1 atm. Si el gas es sometido a una presión de 1140 mm Hg, ¿cuál será su volumen final?... Nota importante: como vemos, las unidades con las que se expresan las presiones son distintas, por lo cual, se deberán transformar en un sistema de unidades similares, es decir, se debe transformar atm a mm Hg, o bien, mm Hg a atm; en ambos casos el resutado del V2 será el mismo. Resultado 166,67 litros

LAS PROPIEDADES DE LOS GASES

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

Las propiedades más importantes de los gases son:
Su capacidad de expandirse y de ocupar todo el espacio del recinto en que están contenidos, por lo que necesariamente deben medirse en recipientes cerrados

Su densidad muy pequeña si se compara con la de cualquier sólido o líquido, por lo que su masa es, en general, despreciable frente a la del recipiente que los contiene

La determinación de una masa gaseosa se realiza con mayor exactitud y facilidad midiendo el volumen que ocupa, pero como éste experimenta un fuerte cambio al modificaar la presión soportada por el gas y al variar su temperatura, es necesario conocer las relaciones cuantitativas entre estas variables expresadas por las leyes de:

Boyle
Charles y Gay Lussac
Dalton

CONVERSIÓN DE UNIDADES

LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA Y SU MEDIDA

CONVERSIÓN DE UNIDADES: longitud, capacidad, masa, temperatura

A continuación se expresarán tres escalas de medición: longitud, capacidad y masa, las cuales estarán dispuestas de mayor a menor; son escalas decimales, donde cada unidad es 10 veces mayor que la que le sigue al lado derecho y 10 veces menor que la que le antecede al lado izquierdo.

Para determinar los factores de conversión usaremos el sistema de pasos, es decir, los lugares que distan desde la unidad mayor del problema y la unidad menor del mismo, los pasos se convertirán en la unidad seguida de ceros, como tanto pasos haya.

Mediante ejemplos se explicarán paso a paso el procedimiento para resolver los problemas de transformaciones de estos sistemas de unidades, léelo cuidadosamente y a la vez ayúdate de tu cuaderno para que entiendas la resolución de los problemas.

ESCALA DE MEDIDAS DE LONGITUD
UNIDAD PATRÓN EL METRO (m)
Mm Km Hm Dm m dm cm mm
megámetro kilómetro hectómetro decámetro metro decímetro centímetro milímetro

ESCALA DE MEDIDAS DE CAPACIDAD (VOLUMEN)
UNIDAD PATRÓN EL LITRO (l)
Ml Kl Hl Dl l dl cl ml
megalitro kilolitro hectolitro decalitro litro decilitro centilitro mililitro

ESCALA DE MEDIDAS DE MASA (PESO)
UNIDAD PATRÓN EL GRAMO (g)
Mg Kg Hg Dg g dg cg mg
megagramo kilogramo hectgramo decagramo gramo decigramo centigramo miligramo

Para transformar unidades entre la misma escala de medición, basta con plantearse una regla de tres simple, comparando las medidas involucradas en la transformación y dándosele el valor numérico de 1 a la medida mayor entre las que se están comparando con su respectiva unidad, y luego pondremos el factor de conversión, el cual lo determinaremos de acuerdo a la cantidad de espacios que disten de la unidad mayor, si la otra unidad está a tres espacios de la unidad mayor, representará el valor de 1000 veces, ya que cada paso es 10 veces mayor o menor de acuerdo a si se está a la derecha o a la izquierda del valor tomado como 1; a continuación se representará mediante unos ejemplos el procedimiento

Transformar 15 Kg a dg
Comparamos ¿cuál unidad es mayor el Kg o el dg?
El kilogramo es mayor que el decigramo, le damos el valor de 1Kg
2. ¿Cuántos pasos hay entre Kg y dg en la escala de masa?
Kg Hg Dg g dg, partiendo de Kg hay 4 pasos, por cada paso colocaremos 1 cero,entonces tenemos que:
1 Kg = 10000 dg
3. Planteamos entonces la regla de tres simple con los datos que nos da el problema y lo que hemos determinado:
1 Kg _________________________ 10000 dg
15 Kg _________________________ X
Como se puede apreciar las unidades deben ser coherentes en el planteamiento de la regla de tres, (iguales de arriba con la de abajo de cada miembro), se procederá entonces a efectuar la operación, eliminando las unidades iguales que existan en el numerador y el denominador
X = 15 Kg . 10000 dg / 1 Kg = 15 . 10000 dg = 150000 dg

Transformar 1700000 mm a Mm
1. Comparamos las unidades involucradas, entre Megámetro y milímetro es mayor el Mm, por lo que se le asigna el valor de 1 Mm
2.- Contamos los pasos entre Mm y mm en la escala
Mm Km Hm Dm m dm cm mm
entre Mm y mm hay 7 pasos partiendo de Mm, entonces 1Mm = 10000000 mm
3.-Planteamos la regla de tre simple:
1Mm ______________________ 10000000 mm
X ______________________ 1700000 mm
como se aprecia son coherentes las unidades arriba y abajo, se procede a efectuar la operación
X = 170000 mm . 1 Mm / 10000000 mm = 1700000 Mm / 10000000 =
X = 17 Mm / 100 = 0,17 Mm
* se eliminaron las unidades comunes que habían en el numerador y el denominador (mm), también se eliminaron 5 ceros comunes de las cifras del numerador y el denominador


Este procedimiento puede aplicarse para cualquiera de las escalas que aquí se mencionan: longitud, capacidad y masa, ya sea transformando una unidad pequeña a una mayor o una unidad mayor a una pequeña, y no hay necesidad de saber si se debe multiplicar o dividir para la transformación, ya que el propio planteamiento de la regla de tres indicará la operación que se deberá efectuar para la resolución del problema.

Los conocimientos previos que necesitas para la resolución de estos problemas son:
Planteamiento de regla de tres simple
Multiplicación y división por la unidad seguida de ceros
Notación científica
los cuales han sido dados en años escolares anteriores, pero que deberás estudiar para recordarlos.

Escalas de Temperatura

Para transformar ºC a ºK:
ºK = ºC + 273

Para transformar ºK a ºC:
ºC = ºK - 273

Para transformar ºC a ºF:
ºF = (9/5 ºC) + 32

Para transformar ºF a ºC:
ºC = 5/9 (ºF - 32)

Para transformar ºF a ºR:
ºR = ºF + 460

Para transformar ºR a ºF:
ºF = ºR - 460

No existen conversiones directas para las siguientes transformaciones: ºC a ºR y ºF a ºK, para lo cual se deberá transformar de ºC a ºF y luego a ºR en el primer caso y, ºF a ºC y luego a ºK en el segundo caso.

Un lector de mi blog me ha enviado la siguiente dirección electrónica donde podrás hacer conversiones de unidades de manera automática, es muy bueno poder hacerlo de esta manera, pero no estaría mal que lo intentaras de la manera "antigua", ya que comprendiendo lo conceptual se adquiere lo procedimental. Gracias amigo por tu aporte.

http://www.calkoo.com/?lang=6&page=12