ESTÁNDAR
Entorno físico (Procesos químicos)
- Relaciono la estructura de las moléculas orgánicas e inorgánicas con sus propiedades físicas y químicas y su capacidad de cambio químico.
Ciencia, tecnología y sociedad
- Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía.
- Identifico aplicaciones de diferentes modelos biológicos, químicos y físicos en procesos industriales y en el desarrollo tecnológico; analizo críticamente las implicaciones de sus usos.
COMPONENTE
- Entorno físico (Procesos químicos)
- Ciencia, tecnología y sociedad
INDICADOR DE DESEMPEÑO
De conocimiento:
- Verifico el efecto de presión y temperatura en los cambios químicos.
De desempeño:
- Explico los cambios químicos desde diferentes modelos.
METODOLOGÍA/ SECUENCIA DIDÁCTICA
- Unidad didáctica
- Solubilidad, Unidades de concentración (molalidad, fracción molar y factores que afectan la solubilidad).
- Propósito
Estimado estudiante el propósito de la guía es que usted identifique y aplique las diferentes unidades de concentración en actividades de tu vida diaria.
- Desarrollo cognitivo instruccional
Dilución de disoluciones
Las disoluciones concentradas que no se utilizan normalmente, se guardan en el almacén del laboratorio. Con frecuencia estas disoluciones stock (de reserva) se diluyen antes de utilizarlas. La dilución es el procedimiento que se sigue para preparar una disolución menos concentrada a partir de una más concentrada.
Por tanto, debemos tomar 400 mL de la disolución de KMnO4 1.00 M y diluirlos hasta 1.000 mL mediante la adición de agua (en un matraz volumétrico de 1 L). Este método da 1 L de la disolución deseada de KMnO4 0.400 M.
Al efectuar un proceso de dilución, conviene recordar que, al agregar más disolvente a una cantidad dada de la disolución concentrada, su concentración cambia (disminuye) sin que cambie el número de moles de soluto presente en la disolución. En otras palabras, moles de soluto antes de la dilución = moles de soluto después de la dilución La molaridad se define como moles de soluto en un litro de disolución, de manera que el número de moles de soluto está dado por
Como todo el soluto proviene de la disolución concentrada original, concluimos que n permanece sin cambios; es decir,
donde Mi y Mf son las concentraciones molares de la disolución inicial y final, y Vi y Vf son los volúmenes respectivos de la disolución inicial y final. Desde luego, las unidades de Vi y Vf deben ser las mismas (mL o L) para que los cálculos funcionen. Para verificar que los resultados sean razonables, se debe asegurar que Mi > Mf y Vf > Vi.
Ejemplo:
Suponga que deseamos preparar 1 L de una disolución de KMnO4 0.400 M a partir de una disolución de KMnO4 1.00 M. Para ello necesitamos 0.400 moles de KMnO4. Puesto que hay 1.00 mol de KMnO4 en 1 L de una disolución de KMnO4 1.00 M, hay 0.400 moles de KMnO4 en 0.400 L de la misma disolución:
Molalidad (m)
La molalidad es el número de moles de soluto disueltos en 1 kg (1 000 g) de un disolvente, es decir,
Por ejemplo, para preparar una disolución acuosa de sulfato de sodio (Na2SO4) 1 molal, o 1 m, es necesario disolver 1 mol (142.0 g) de la sustancia en 1 000 g (1 kg) de agua. Dependiendo de la naturaleza de la interacción soluto-disolvente, el volumen final de la disolución será mayor o menor que 1 000 mL. También es posible, aunque poco probable, que el volumen final sea igual a 1 000 mL.
Ejemplo: Calcule la molalidad de una disolución de ácido sulfúrico que contiene 24.4 g de ácido sulfúrico en 198 g de agua. La masa molar del ácido sulfúrico es de 98.09 g.
Estrategia Para calcular la molalidad de una disolución, necesitamos saber el número de moles de soluto y la masa del disolvente en kilogramos.
Fracción molar (X)
La fracción molar de un componente de una disolución, el componente A, se representa como XA y se define como
La fracción molar no tiene unidades, debido a que también representa una relación de dos cantidades semejantes.
Observe los siguientes videos con el fin de afianzar los temas descritos anteriormente:
Miscibilidad y solubilidad
Cuando dos o más sustancias forman una solución, se dice que son miscibles. Si al mezclarse forman más de una fase, se dice que son inmiscibles.
Los términos miscible y soluble se usan como sinónimos. Por eso es correcto decir que el agua y la sal son miscibles o solubles y también que el agua y el aceite son inmiscibles o insolubles.
La solubilidad se refiere a la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en 100 gramos de solvente a una determinada temperatura.
La capacidad de una determinada cantidad de líquido para disolver una sustancia sólida no es ilimitada. Añadiendo soluto a un volumen dado de solvente se llega a un punto a partir del cual la disolución no admite más soluto (un exceso de soluto se depositaría en el fondo del recipiente). Se dice entonces que está sobresaturada.
Cuando la solubilidad es superior a 0,1 M (molar), se tiene que la sustancia es soluble en el disolvente considerado; por debajo de 0,1 M (molar) se entiende que es poco soluble o incluso como insoluble si se aleja bastante de este valor de referencia.
Factores que afectan la solubilidad en las soluciones
- Naturaleza del soluto y del solvente
La solubilidad es mayor entre sustancias cuyas moléculas sean análogas, eléctrica y estructuralmente. Los sólidos iónicos son insolubles en disolventes apolares. En general son solubles en agua. Cuando existe semejanza en las propiedades eléctricas de soluto y solvente, las fuerzas intermoleculares son intensas, propiciando la disolución de una en otra. Como el agua es una molécula polar, se pueden disolver en ella solutos polares como alcohol, acetona y sales inorgánicas. Del mismo modo la gasolina, ya que tiene carácter apolar, disuelve solutos apolares como resinas, aceites y algunos polímeros.
- Temperatura
Generalmente un aumento de temperatura facilita el proceso de solubilidad de un soluto. Lo que se explica por:
- El calor suministrado al sistema aumenta la energía interna y con esto la velocidad de difusión de las partículas del soluto en el seno del solvente.
- El calor suministrado es absorbido por las moléculas del soluto, debilitándose las fuerzas intermoleculares y facilitando el proceso de solubilidad. En la siguiente gráfica se observa que las sales como nitrato de potasio KNO3, cloruro de calcio CaCl2, cloruro de potasio KCl aumentan su solubilidad cuando aumenta la temperatura de la solución. En el cloruro de sodio NaCl, la variación de temperatura no altera apreciablemente la solubilidad. En otros casos ocurre que al aumentar la temperatura disminuye la solubilidad como el caso de Sulfato de Cerio (III), Ce2(SO4)3.
- Presión
Tiene efecto principalmente sobre los gases siendo proporcional a la solubilidad. Es decir, a mayor presión, mayor solubilidad. “Los líquidos son prácticamente incompresibles así que no se ven afectados por la variación de presión”.
- Superficie de contacto
Este factor es importante en la solubilidad de solutos sólidos en solventes líquidos, ya que entre más esté finamente dividido sea el sólido, mayor superficie de contacto existirá entre las moléculas. Es por esto que en algunas situaciones la trituración de los solutos sólidos facilita la dilución. Ejemplo: se quema más rápido la misma madera en viruta (aserrín) que en el bloque de madera.
- Desarrollo Metodológico
- ¿Cuál es la molalidad de una disolución que contiene 7.78 g de urea [(NH2)2CO] en 203 g de agua?
- Describa brevemente los pasos que se requieren para la conversión entre molaridad, molalidad y porcentaje en masa.
- Calcule el porcentaje en masa de soluto en cada una de las siguientes disoluciones acuosas: a) 5.50 g de NaBr en 78.2 g de disolución, b) 31.0 g de KCl en 152 g de agua, c) 4.5 g de tolueno en 29 g de benceno.
- Calcule la molalidad de cada una de las siguientes disoluciones: a) 14.3 g de sacarosa (C12H22O11) en 676 g de agua, b) 7.20 moles de etilenglicol (C2H6O2) en 3 546 g de agua.
- Calcule la molalidad y la fracción molar de cada una de las siguientes disoluciones:
a) 14.3 g de glucosa (C6H12O6) en 676 g de agua.
b) 7.20 moles de etilenglicol (C2H6O2) en 3 546 g de agua.
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