Etapa 2. El agua y sus diluciones

Fenómenos Químicos en el Entorno

Etapa 2. El agua y sus disoluciones

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Índice

2.1 Clasificación de la materia

Problemas de concentración

2.2 Clasificación de soluciones

Molaridad

Métodos de separación de mezclas

Curvas de solubilidad

El agua y su representación molecular

Sistemas de dispersión

2.4 Ácidos y bases

¿Qué sucede en el proceso de disolución?

2.3 Medidas de concentración

Indicadores ácido-base

2.1 Clasificación de la materia

Materia

Mezclas

Sustancias puras

Elementos

Compuestos

Homogéneas

Heterogéneas

Actividad de sustancias y mezclas

Determina si se trata de una sustancia o de una mezcla

Gas natural

Azúcar de mesa

Hidróxido de sodio

Nitrógeno

Limonada

Métodos de separación de mezclas

Procedimiento físicos que permiten separar dos o más componentes de las mezclas. Estos métodos permiten que tras su separación conserven su identidad y sus propiedades químicas

Cromatografía

Centrifugación

Evaporación

Filtración

Destilación

Cristalización

Sedimentación

Decantación

El agua y su representación molecular

El agua se compone de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, unidos por un enlace covalente. Es conocida como el "disolvente universal" y por su potencial de hidrógeno (pH).Enlace covalente: enlace fuerte y estable en que se comparten pares de electrones

Uniones relativamente débiles en comparación con los enlaces covalentes

Puentes de hidrógeno

¿Qué sucede en el proceso de disolución?

Disolución: proceso por el cual una sustancia se disuelve en otra para dar lugar a una mezcla homogénea.

Soluto

Disolvente

Características de las disoluciones:

• Son homogéneas
• El estado físico es el mismo que el del disolvente
• Los componentes se dispersan a una escala molecular
• AUsencia de sedimentación
• El soluto y el disolvente se encuentran en proporciones que varían dentro de límites

Ejemplos:

• Agua con sal
• Aire
• Latón

Factores que influyen en el proceso de disolución

Naturaleza del soluto y del solvente "Lo semejante disuelve a lo semejante", lo polar disuelve a lo polar y lo no polar disuelve a lo no polar

Temperatura cuando aumenta la solubilidad en líquidos y sólidos aumenta. Pero en gases la solubilidad disminuye.

Superficie de contacto Cuando aumenta, la interacción soluto-solvente incrementa, haciendo que el soluto se diluya más rápido. El aumento se da cuando el soluto se pulveriza.

Superficie de contacto Ayuda a que las partículas del soluto se difundan por toda la masa del solvente. No favorece la solubilidad, pero hace el proceso más rápido

Presión Afecta la solubilidad de los gases, al aumentar aumenta su solubilidad, siendo directamente proporcional a la presión.

2.2 Clasificación de soluciones de acuerdo con el estado físico

El estado físico de la disolución es determinado por el disolvente o solvente, es decir, si el solvente es líquido la disolución será líquida, si es gas la disolución será gaseosa, etc.

Clasificación de soluciones de acuerdo con la cantidad de soluto

Solubilidad: capacidad que tiene una sustancia para disolverse en otra y formar una mezcla homogénea

Sobresaturada

Saturada

Insaturada

El factor solubilidad: curvas de solubilidad

La solubilidad de algunas sustancias depende de la temperatura y se usan curvas como representación gráfica de la solubilidad que un soluto tiene en función a la temperatura.

El aumento de la temperatura suele implicar aumento de solubilidad, pero en algunas sustancias sucede lo contrario.

Actividad de solubilidad

De acuerdo a la gráfica, determina si se trata de una solución insaturada, saturada o sobresaturada

1. Una solución de 40g/100g H2O de KCl a 44°C

Respuesta

2. Una solución de 25g/100g H2O de K2Cr2O7 a 50°C

Respuesta

3. Una solución de 70g/100g H2O de KNO3 a 20°C

Respuesta

Clasificación de los sistemas de dispersión

Suspensiones

Soluciones

Coloides

2.3 Medidas de concentración

Concentración: relación que existe entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente

Unidades Químicas

Unidades Físicas

Relación masa-masa

Indica la masa de soluto por masa de disolución, soluto y solvente se deben expresar en unidades de masa.

% m/m= (g de soluto/ g de disolución)x100

Ejemplo: ¿Cuál es la concentración % de hidróxido de litio (LiOH) para una disolución que se preparó con 9 g de LiOH en 72 g de agua?

Datos Disolución = 9 g de LiOH + 72 g de H2O Soluto= 9 g de LiOH

% m/m=(9 g LiOH/81 g disolución)x100= 11.11% de LiOH

Relación masa-volumen

Indica el número de gramos de soluto disueltos en mililitros (mL) de disolución.

%m/v=(g de soluto/ mL de disolución) x 100

Ejemplo: ¿Qué porcentaje en m/v contiene una mezcla de 25 g de bicarbonato de sodio Na2CO3 disueltos en 0.5 Lde disolución?

%m/v=(25 g Na2CO3/ 500 mL disolución) x100 = 5% Na2CO3

Relación volumen-volumen

Concentración de una solución conformada por una disolución de un soluto líquido en un disolvente líquido

% v/v= (mL soluto/ mL disolución) x100

Ejemplo: Calcular el volumen de alcohol etílico que hay en una botella de 750 mL de ron si en su etiqueta señala que su concentración de alcohol etílico en volumen es de 42%

Despejar la fórmula 42%=(x/750 mL) 100 (42%/100)(750 mL)= 315 mL de alcohol etílico

Partes por millón

Unidad de medida de concentración que se utiliza cuando las cantidades de soluto son muy bajas y deben expresarse en unidades pequeñas. Se expresa como ppm

Formula: ppm=(masa de soluto (g)/masa de disolución (g)) x 106

ppm=(masa de soluto (mg)/masa de disolución (kg)

Ejemplo: El resultado de análisis de una muestra de agua en una presa del estado de Nuevo León indica que hay 0.025 mg de plomo en 0.5 kg de agua. Calcula la concentración en ppm

ppm= 0.025 g plomo/ 0.5 kg disolución= 0.05 ppm de plomo en agua

Problemas de unidades físicas de concentración

1. Un laboratorio ha encontrado que una muestra de agua contiene 5 ppm de plomo. ¿Cuántos miligramos de plomo hay en 2 litros de agua?

2. Una mezcla de fertilizante contiene un 25% m/m de nitrato de potasio (KNO₃). Si tienes 800 gramos de esta mezcla, ¿cuántos gramos de KNO₃ hay?

Problemas de unidades físicas de concentración

3. Un enjuague bucal contiene un 15% v/v de alcohol. ¿Cuántos mililitros de alcohol hay en 300 mL de este enjuague bucal?

4. Se ha preparado una solución de azúcar al 8% m/v. Si se tienen 500 mL de esta solución, ¿cuántos gramos de azúcar se han disuelto?

Molaridad

Unidad química de concentración de una solución expresada en el número de moles disueltos por litros de disolución (n/L)

m= masa MM= masa molar o peso molecular V= volumen

Molaridad (M)=moles de soluto/litros de solución

Molaridad (M)= m/ (MM)(V)

Ejemplo: ¿Cuál es la molaridad (M) de una solución que contiene 60 g de cloruro de calcio en 500 mL de solución si la masa molecular del CaCl2 es 111 g/mol?

M= 60 g CaCl2/(111 g/mol CaCl2)(0.5 L)= 1.08 M o mol/L

Ejercicios de molaridad

1. Se disuelven 58.5 gramos de cloruro de sodio (NaCl) en agua para preparar 500 mL de solución. Calcula la molaridad de la solución. (Masa molar del NaCl = 58.44 g/mol).

2. Se disuelven 98 gramos de ácido sulfúrico (H₂SO₄) en suficiente agua para preparar 2 litros de solución. Calcula la molaridad de la solución. (Masa molar del H₂SO₄ = 98.08 g/mol).

2.4 Ácidos y bases

Los ácidos y bases son sustancias químicas existentes en la naturaleza que se diferencian por por sus valores de pH (grado de acidez o alcalinidad), en ocasiones son sustancias corrosivas y algunos son tóxicos.

Ácidos

Bases

• Sabor agrio
• Cambian el papel tornasol de azul a rojo
• Producen picor al contacto con la piel
• Nuestralizan las bases
• Reaccionan con metales, produciendo H2
• pH 1-6
• En soluciones acuosas conducen corriente eléctrica

• Sabor amargo
• Cambian el papel tornasol de rojo a azul
• Son resbalosas e irritantes al tacto
• Neutralizan ácidos
• Son corrosivos
• pH 8-14
• En disoluciones acuosas conducen corriente eléctrica

Reacción de neutralización. Cuando un ácido y una base reaccionan se produce una reacción de neutralización. En esta reacción siempre se obtendrá una sal y agua

H2SO4 + 2NaOH Na2SO4 + 2H2O

Teoría ácido-base de Arrhenius

Los ácidos son sustancias que al disolverse en agua liberan iones hidrógeno (H+)

H2O

HCl (g) H+(ac) + Cl-(ac)

Las bases son sustancias que al disolverse en agua liberan iones hidroxilo (OH-)

H2O

NaOH (s) Na+(ac) + OH-(ac)

Teoría ácido-base de Bronsted-Lowry

Un ácido es una sustancia donante de un protón (H+) a otra sustancia y la base es una sustancia receptora de un protón (H+).

Ejemplo: HF(g) + H2O(l) H3O+(ac) +F-(ac)

ácido base ácido base conjugado conjugada

Teoría de Lewis

Un ácido puede aceptar un par de electrones y una base es la especie que puede donar el par de electrones que se comparten, formando un enlace covalente coordinado.

Proceso de disociación

La disociación del agua es una reacción de equilibrio en que una molécula de agua dona su protón a otra molécula de agua. El agua es capaz de disociarse en ión hidronio (H3O+) y el hidroxilo (OH-)

H2O + H2O H3O+ + OH-

pH: logaritmo negativo de la concentración de iones de hidrógeno en el agua

Kw= [H+][H-]= 1.0x10-14

H+

OH-

1.0x10-7 + 1.0x10-7

Escala pH

Escala cuantitativa que contiene los números absolutos del 0 al 14.

Ejemplos:

¿Cómo se mide el pH?

Las siglas de pH significan potencial de hidrógeno. La ecuación se representa:

pH= -log [H3O+]

pH= -log [H+] ó

Tomando en cuenta el Kw se obtiene: pH + pOH = 14

Ejemplo: Determina el pH de un limpiavidrios en cuya etiqueta se lee una concentración de [H+=1x10-10]

Nota: Si el dato que se tiene es el pOH y se quiere saber el pH, debe restarsele el pOH a 14 y viceversa si se quiere conocer pOH

pH= -log (1x 10-10)= 10

Problema de pH

Determina el pH y el pOH de una solución de ácido clorhídrico con una concentración de [0.01]M

Fórmulas pH= -log [H+]

pH + pOH = 14

Indicadores de ácido-base

Un indicador de pH es una sustancia que permite medir el pH de manera cualitativa.

HIn(aq) + H2O(l) In-(aq) + H2O+(aq)

Fórmula ácida Fórmula básica

Titulación o valoración ácido-base

Metódo de análisis químico que permite determinar con la mayor precisión posible de concentración de una solución ácida o una solución básica mediante la medición de pH

Lluvia ácida

Efecto de la contaminación atmósferica que resulta de la mezcla del agua de lluvia con gases de contaminantes presentes en el aire. Se forman soluciones diluidas de ácido sulfuroso, sulfúrico y nítrico.

Causantes naturales:

• Erupciones volcánicas
• Terremotos
• Incendios naturales
• Relámpagos
• Procesos microbianos (CO2, SO3, NO)

Causantes antropogénicos: Emisiones de quemas de combustibles fósiles

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