CAPÍTULO 3 / TEMA 2

Sistemas homogéneos

Cuando un sistema posee las mismas propiedades intensivas en toda su masa, significa que es un sistema homogéneo. Un sistema homogéneo cuenta con una sola fase. En estos sistemas generalmente se debe aplicar mayor energía o calor para lograr separar las sustancias que lo conforman.

Aire fresco

 

El aire que respiramos es un sistema homogéneo, es una mezcla de distintos gases como el oxígeno, el nitrógeno, el argón, el helio y el dióxido de carbono.

SOLUCIONES

Las soluciones son sistemas materiales homogéneos compuestos por uno o más solutos disueltos en un solvente determinado.

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El soluto es el componente de la solución que se encuentra en menor proporción y se disuelve en el solvente, en tanto, el solvente es el que se encuentra en mayor proporción y tiene la capacidad disolver el soluto. El agua es el solvente más conocido y empelado a nivel mundial.

Solvente universal

 

El agua es conocida como el solvente universal, es capaz de disolver una gran cantidad de compuestos, además no es tóxica y su manipulación no conlleva ninguna peligrosidad. Encabeza la lista de los denominados solventes verdes o sostenibles, cada vez más importantes para la industria y la ciencia.

 

Sin embargo, el agua no es capaz de disolver todos los compuestos que existen, por ejemplo, no puede disolver el aceite.

CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES

Las soluciones se clasifican en función de la concentración en insaturadas, saturadas y sobresaturadas.

  • Solución insaturada: no alcanza la cantidad máxima posible de soluto para la presión y la temperatura dadas.
  • Solución saturada: es cuando la cantidad del soluto disuelto es la máxima que puede disolver el solvente en determinadas condiciones.
  • Solución sobresaturada: es aquella donde la cantidad de soluto es mayor a la máxima que puede ser disuelta en el solvente. Este tipo de soluciones suelen ser inestables ya que el soluto tiende a precipitar. Además, para lograr la completa disolución del soluto se utilizan temperaturas superiores a la del ambiente.
Solubilidad

 

Es la propiedad de las sustancias que nos indica qué tan solubles son en un solvente determinado a temperaturas y presiones específicas.

Las soluciones también pueden clasificarse en función al estado de agregación en el que se encuentran ambos compuestos En una disolución, tanto el soluto como el solvente pueden estar presentes en diferentes estados de agregación, ya sea sólido, líquido o gaseoso, por lo que en caso de que ambos estén en el mismo estado, se dice que el solvente es el componente que está en mayor cantidad y el otro componente sería el soluto.

¿Sabías qué?
Es posible encontrar soluciones con dos o más solutos. Este principio también se puede aplicar para los gases y los sólidos.

CONCENTRACIONES DE UNA SOLUCIÓN

La concentración puede expresarse cuantitativamente al establecer  diferentes relaciones porcentuales entre las cantidades de sustancias a través de unidades químicas y físicas conocidas como: masa (m), volumen (v) y cantidad de sustancia (n). Dentro de las formas de expresar la concentración de una sustancia tenemos:

  • Tanto por ciento masa sobre masa (%m/m): el porcentaje masa-masa se define como la unidad física que determina la concentración en gramos (g) de soluto contenidos en 100 g de solución.
  • Tanto por ciento volumen sobre volumen (%v/v): el porcentaje en volumen- volumen se define como la unidad física que determina la concentración en mililitros (ml) de soluto contenido en 100 ml de solución.
  • Tanto por ciento masa sobre volumen (%m/v): el porcentaje en masa- volumen se define como la unidad física que determina la concentración en gramos de soluto contenidos en 100 ml de solución.
  • Molalidad (m): es una magnitud que expresa el número de moles de soluto por kilogramo de solvente.
  • Molaridad (M): es una magnitud que expresa el número de moles de soluto por litro de solución.

SEPARACIÓN DE COMPONENTES EN SOLUCIÓN

Al ver una solución parece imposible que se puedan separar sus componentes, sin embargo, los componentes de una solución pueden aislarse a través del empleo de diferentes técnicas de separación, la utilización de cada una dependerá del tipo de solución y las características particulares de sus elementos.

Técnicas de separación.

Destilación

Puede ser simple o fraccionada.

  • Destilación simple: es una técnica empleada para separar dos líquidos con punto de ebullición diferente o un sólido disuelto en un líquido. El fundamento de esta técnica es la evaporación del componente más volátil de la solución seguida de una condensación del mismo, lo cual ocurre dentro de un sistema cerrado que se conoce como equipo de destilación.
  • Destilación fraccionada: se utiliza cuando se necesita separar una solución formada por dos líquidos de punto de ebullición muy cercanos. En la industria se emplea la destilación fraccionada para la fabricación de bebidas alcohólicas, la obtención de agua destilada y el fraccionamiento de los componentes del petróleo.

Cromatografía

Se utiliza para separar fluidos que pueden ser gases o líquidos. Este método de separación requiere de dos fases: una llamada fase móvil y la otra llamada fase fija o estacionaria. Las sustancias presentes en una mezcla son arrastradas a través de la fase estacionaria, generalmente representada por papel, y la fase móvil, que puede ser agua, alcohol u otro solvente.

Precipitación y cristalización

Es una técnica que se usa cuando la solución está sobresaturada. Esto provoca que el soluto se precipite y finalmente se cristalice. Cuanto más lentamente se produce la precipitación mejor se cristaliza, ya que los iones tendrán más tiempo para ordenarse y los cristales serán mayores.

Una de las formas de provocar la cristalización es evaporar el solvente hasta lograr la sobresaturación de la solución, luego se enfría para la formación de los cristales del soluto.

Extracción de sal

 

En la extracción de sal se induce la formación de los cristales de sal a partir de la evaporación del agua.

SOLUCIONES EN LA VIDA COTIDIANA

En nuestro entorno entramos en contacto con diversidad de objetos; algunos son sólidos, otros líquidos y otros gaseosos. Si bien parece que todos son diferentes, podemos decir que hay algo que tienen en común: todos se forman de materia.

El estudio de las soluciones tiene mucha importancia en diferentes aspectos de la vida cotidiana, como en la elaboración de medicamentos, de exámenes médicos, a nivel industrial para estudios del petróleo, en la industria de los metales, de bebidas, entre otros.

RECURSOS PARA DOCENTES

Enciclopedia Virtual “Soluciones”

Material audiovisual exclusivo para el uso docente, en el video el profesor detalla todos los elementos y características de las soluciones.

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CAPÍTULO 3 / REVISIÓN

MEZCLAS Y SOLUCIONES | ¿qué aprendimos?

Sistemas materiales

En nuestra vida cotidiana entramos en contacto con diversidad de elementos; algunos son sólidos, otros líquidos y otros gaseosos. Si bien parece que todos son diferentes, podemos decir que hay algo que tienen en común: todos están formados por materia. Para estudiar la materia solemos analizar una porción a la que llamamos sistema material. Todo sistema material tiene propiedades generales o extensivas y propiedades específicas o intensivas. Hablamos de “fase” cuando nos referimos a todas aquellas porciones del sistema material que tienen las mismas propiedades intensivas. Por otro lado, los componentes son las sustancias que conforman el sistema material.

Todo el universo visible está formado de materia.

Sistemas homogéneos

Hablamos de sistema homogéneo cuando un sistema material posee las mismas propiedades intensivas en toda su masa. Éste cuenta con una sola fase. Las soluciones son sistemas materiales homogéneos compuestos por uno o más solutos disueltos en un solvente determinado. El soluto es el componente de la solución que se encuentra en menor proporción y se disuelve en el solvente, en tanto, el solvente es el que se encuentra en mayor proporción y tiene la capacidad de disolver el soluto. Las soluciones se pueden clasificar en función de la concentración en insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Su concentración puede expresarse cuantitativamente, se establecen diferentes relaciones porcentuales entre las cantidades de sustancias a través de unidades químicas y físicas conocidas como masa (m), volumen (v) y cantidad de sustancia (n).

El agua es el solvente universal.

Sistemas heterogéneos

Un sistema homogéneo cuenta con distintas propiedades intensivas en al menos dos de sus puntos. Un sistema de este tipo tiene dos o más fases. Generalmente, para su separación se utilizan mecanismos físicos y de menor consumo de energía. Existen las mezclas groseras y las mezclas finas o suspensiones. En las primeras los componentes se diferencian fácilmente debido a su gran tamaño, y las suspensiones se forman por una fase sólida con baja solubilidad que se encuentra dispersa en la fase liquida. Las fases son más difíciles de diferenciar debido al ínfimo tamaño de la partícula. Existen diversos métodos de separación de fases, algunos de ellos son: la decantación, la tamización, la filtración y la imantación. Los métodos mecánicos no producen transformaciones en los componentes de la mezcla.

Un sistema heterogéneo fácil de identificar es el del el agua y el aceite.

Agua

El agua es un compuesto químico de vital importancia para los seres vivos. Es la sustancia universal más abundante en la Tierra. Está compuesta por hidrógeno y oxígeno. Nuestro planeta está cubierto en un 70 % por agua. Por otra parte, todas las especies dependen de este líquido vital para la supervivencia. Al igual que el oxígeno, el agua es un elemento de la naturaleza esencial para que todas las formas de vida puedan existir. El agua cuenta con diferentes propiedades que se clasifican en organolépticas y fisicoquímicas. Las primeras son las que percibimos con nuestros sentidos, y las segundas tienen relación con la composición química. El agua es un regulador de temperatura para la mayoría de los seres vivientes, así como también tiene un papel esencial en la regulación de la temperatura atmosférica.

El 70 % de nuestro cuerpo está formado por agua.

Contaminación del agua

La contaminación del agua se produce cuando se introduce un material que altera sus características naturales. El agua contaminada deja de ser apta para el desarrollo de los seres vivos. El mercurio es una fuente natural de contaminación y también los hidrocarburos. Otro agente natural contaminante es el arsénico producido por las actividades volcánicas. El ser humano ha vivido con este tipo de contaminación desde hace miles de años y no es posible evitarla; sin embargo, la contaminación debido a las actividades humanas es mucho mayor. El uso de los fertilizantes en la agricultura, metales pesados en la minería, las aguas residuales de las industrias y los desechos arrojados por el ser humano, ponen en riesgo sanitario al ecosistema del planeta que depende de este importante líquido.

El agua contaminada es cuna de enfermedades.

Soluciones insaturadas, saturadas y sobresaturadas

Las soluciones son mezclas homogéneas compuestas esencialmente por solutos y solventes. Los solutos son las sustancias presentes en menor proporción, mientras que el solvente es la sustancia que está en menor proporción. Según la solubilidad del soluto, las soluciones pueden clasificarse como saturadas, insaturadas o sobresaturadas.

Solución insaturada Solución saturada Solución sobresaturada
Cantidad de soluto Menor cantidad de soluto que la que es capaz de disolver un solvente en particular. Máxima cantidad del soluto que se disuelve en un solvente en particular, a una temperatura y presión específica. Mayor cantidad de soluto que el que puede haber en una disolución saturada.
Punto de saturación No alcanza el punto de saturación. Alcanza el punto de saturación. Sobrepasa el punto de saturación.
¿Qué sucede al añadir más soluto? El soluto añadido se disuelve. El soluto añadido no se disuelve. Precipita. El soluto añadido no se disuelve. Precipita.
Efecto de la temperatura A mayor temperatura mayor solubilidad. A mayor temperatura mayor solubilidad. A mayor temperatura mayor solubilidad.
Representación

Conceptos de ácido y base: el producto de solubilidad 

La solubilidad de una sustancia en un disolvente depende de la temperatura y de la presión, la influencia de esta última es muy pequeña cuando el soluto es un sólido. Puede expresarse en cualquiera de las diversas maneras (normalidad, molaridad, gramos de soluto por litro de disolvente, etc.) que ya conocemos.

Para el caso de las sales poco solubles resulta además muy útil definir el producto de solubilidad. Para definir este concepto, consideremos la disolución en agua de una sal muy poco soluble, tal como el sulfato de bario, BaSO4.

En una disolución de esta sal, parte de las moléculas de BaSO4 estarán disociadas en iones, según la ecuación:

Si se trata de una disolución diluida podremos aplicar a ese equilibrio la fórmula de la constante de ionización. Tendremos:

Pero puesto que el sulfato de bario es muy poco soluble en agua, la ecuación anterior puede aplicarse también a la disolución saturada, ya que el BaSO4 disuelto se encontrará en equilibrio con el BaSO4 precipitado. El denominador es en este caso constante y puede escribirse:

. [BaSO4] = [Ba2+] . [SO4 2-]

Esta expresión se denomina producto de solubilidad. Su símbolo es Ks.

Ks = [Ba2+] . [SO4 2-]

El valor del producto de solubilidad es constante para cada temperatura.

Ejemplos:

1) Las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción con H2 son:

-De H2 igual a 0,002 molar

-De I2 igual a 0,002 molar

-De IH igual a 0,014 molar

Hallar el valor de la constante de equilibrio.

Solución:

La fórmula de la constante de equilibrio es:

Por tanto, sustituyendo valores, será:

2) Si en la reacción anterior, a una cierta temperatura, la constante de equilibrio es 0,50 y en 40 litros de disolución hay 2 moles de hidrógeno y 8 de yodhídrico, hallar los moles de yodo que existen.

Solución:

De la fórmula:

conocemos:

K = 0,50

[H2] = 2 moles de hidrógeno / 40 litros de disolución = 0,05 molar

[IH] = 8 moles de á. yodhídrico / 40 litros de disolución = 0,2 molar

[I2] = x moles de yodo / 40 litros de disolución = x / 40 molar

En consecuencia:

es decir,

3) En la reacción PCl5   PCl3 + Cl2   32Kcal/mol

que se desarrolla a presión constante, se tiene que [PCl5] = 0,2 molar; [PCl3] = [Cl2] = 0,01 molar. a) Calcular la constante de equilibrio; b) indicar qué ocurriría si se elevase la temperatura; c) qué sucedería si se redujese la presión; d)y qué si se incrementase la concentración de PCl5 a 0,5 molar, permaneciendo constantes tanto la presión como la temperatura.

Solución:

a)

b) Por tratarse de una reacción endotérmica, al elevar la temperatura se favorece la formación de PCl5 y, en consecuencia, la disminución de las concentraciones de PCl3y de Cl2 (desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda).

c) Al haber más moles gaseosos en el segundo miembro de la reacción que en el primero, una disminución de la presión hace aumentar las concentraciones de PCl3 y de Cl2 en detrimento de la concentración de PCl5 (desplazamiento del equilibrio hacia la derecha).

d) Si se aumenta la concentración de PCl5, correlativamente han de incrementarse la de PCl3 y la de Cl2 para que la constante de equilibrio no se modifique.

Para averiguar cuánto valen las nuevas concentraciones utilizaremos la fórmula de K:

4) Hallar la concentración de iones hidronio en una disolución de ácido acético, CH3  COOH, 1M sabiendo que la constante de disociación vale 1,8·10-5.

Solución:

La reacción de ionización es:

por lo que la constante de ionización será:

Sustituyendo:

Resolviendo esta ecuación de segundo grado, resulta:

x = 0,0043 molar.

5) Hallar la molaridad de una disolución de HCl cuyo pH es 2.

Solución:

pH = log10 1 / [H3O] = -log10 [H3O+] = 2

Es decir,

log10 [H3O+] = -2.

y, tomando antilogaritmos:

[H3O+] = 10-2 = 0,01 molar

6) Hallar el producto de solubilidad del BaSO4 sabiendo que a la temperatura de 50 °C su concentración es 1,4 · 10-5 molar.

Solución:

De la reacción:

se deduce que el producto de solubilidad vale:

Ks = [Ba2+] . [SO4 2-]

Por tanto,

Ks = (1,4 · 10-5)·(1,4 · 10-5) = 1,96·10-10.

Solublidad y polaridad

Al adicionar una sustancia en un agua, ésta se puede disolver o no. Lo que determina que ocurra un hecho u otro es la solubilidad del soluto, la cual a su vez depende diferentes factores, entre ellos, la polaridad.

Solubilidad

La solubilidad es la capacidad que tiene una sustancia de disolverse en otra, por ejemplo: la sal se disuelve en el agua, por tanto la sal es soluble en agua.


El vinagre es soluble en agua. Los términos soluble, ligeramente soluble e insoluble son utilizados como medida cualitativa de la solubilidad.

Dicho de otra forma, la solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en un determinado solvente y se expresa como:

Solubilidad = (g soluto ÷ g solvente) x 100

¡Recuerda!

Una sustancia tiene una solubilidad diferente para cada solvente.

¿Cuál es la solubilidad de una sustancia en 140 g de agua si sólo se disuelven 5 g de la misma?

Solubilidad = (5 g soluto ÷ 140 g) x 100 = 3,6


La presión influye en la solubilidad de los gases, ejemplo de ello es el CO2 contenido en las bebidas gaseosas cuya disolución es posible gracias al aumento de la presión.

Polaridad

La polaridad es una propiedad de las moléculas que se manifiesta cuando existe una separación de cargas en las mismas que da lugar a la formación de un dipolo eléctrico.

En este sentido se distinguen dos tipos de moléculas: polares y apolares. Las primeras son aquellas que poseen dipolos eléctricos, es decir, tienen un extremo positivo y otro negativo. En tanto, las segundas no poseen dipolo eléctrico.

¿Polares o apolares?

Solubilidad y polaridad

La solubilidad de una sustancia en un determinado solvente dependerá de la polaridad de ambos componentes. En general, la solubilidad en función de la polaridad está determinada por la siguiente regla: “Lo semejante disuelve a lo semejante”.

La anterior premisa significa que una sustancia polar se disuelve en un solvente polar, en tanto, un soluto apolar se disuelve en un disolvente apolar.

  • Etanol en agua

El etanol y el agua son sustancias polares que forman enlaces o puentes de hidrógeno (fuerza intermolecular), de manera que cuando el etanol se añade al agua, inicia el proceso de solvatación, es decir, las moléculas de etanol y agua empiezan a interactuar entre sí y dan como resultado la formación de puentes de hidrogeno entre estas.

Se denomina solvatación al proceso en el cual las moléculas del soluto interaccionan con las moléculas del solvente y dan lugar una asociación de las mismas.

 

 

  • Hexano en agua

El agua es una sustancia polar capaz de formar puentes de hidrógeno, mientras que el hexano es una sustancia apolar cuyas fuerzas dispersión de London son más débiles. Entonces, considerando la regla de “lo semejante disuelve a lo semejante”, se puede deducir que el hexano no se disuelve en agua.

A nivel molecular, lo que ocurre es que la interacción agua-agua es más fuerte que la interacción agua-hexano y como resultado el hexano no se disuelve en el agua.

La solubilidad también depende de la temperatura. Generalmente, la solubilidad de un sólido se incrementa con el aumento de la temperatura, mientras que para un gas se observa el efecto contrario.

Miscible e inmiscible

Los términos miscibles e inmiscibles son utilizados frecuentemente para describir la solubilidad de un líquido en otro. Dos líquidos son miscibles cuando forman una solución o mezcla homogénea, en tanto, son inmiscibles cuando no forman una solución.

 

 

Ejercicios:

1) Resuelve los siguientes problemas.

a) En 150 g de agua se disolvieron 40 g de una sustancia. ¿Cuál es la solubilidad de la sustancia?
b) La solubilidad de una sustancia A en 120 g de agua es igual a 3. ¿Cuántos gramos de de A se disolvieron en el agua?

 

2) Una con flecha los elementos de las columnas A y B según corresponda.

A B
Metanol
Cloroformo Polar
Agua No polar
Hexano
Glicerina

 

3) Predice la solubilidad de las siguientes sustancias en agua.

a) Tolueno
b) Ácido acético
d) Metanol
e) Acetona

 

4) Predice la solubilidad de las siguientes sustancias en tolueno.

a) Hexano
b) Cloruro de sodio
c) Etanol
d) Agua