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Unidad ii   soluciones-q3320- enero-22-13
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Curso en Línea de Quimica Analítica

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Soluciones y reacciones quimicas.

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Unidad ii   soluciones-q3320- enero-22-13 Unidad ii soluciones-q3320- enero-22-13 Document Transcript

  • QUIMICA ANALITICAUNIDAD II –SOLUCIONES Y REACCIONES QUIMICASLUIS CARLOS SARMIENTOINTERAMERICAN UNIVERSITY OF PUERTO RICODEPARTMENT OD SCIENCIES AND TECHNOLOGYMAYO -2013
  • UNIDAD IIUNIDADES DE CONCENTRACIONOBJETIVOS1. Definir soluto, solvente(disolvente), solución y Solubilidad.2. Identificar las soluciones iónicas y no iónicas.3. Interpretar las unidades de concentración de: porcentaje, partes pormillón,(ppm), partes por billón(ppb), pX, Molaridad(M) yNormalidad(N).4. Calcular la masa o moles de soluto para preparar una solución, conuna concentración establecida.5. Calcular el número de moles o gramos de soluto en un volumen desolución dado.6. Convertir una unidad de concentración en otra.7. Resolver Problemas de soluciones aplicadas a la Estequiometria.CONTENIDO ² Solubilidad y soluciones ² Soluciones Iónicas y no iónicas. ² Unidades de concentración ² Conversión entre Unidades de concentración. ² Problemas de Estequiometria que incluyen soluciones.Solubilidad y Soluciones :Una solución consiste de un Soluto y de un Solvente o Disolvente. Noslimitaremos aquí, al caso de soluciones acuosas.Hay una cantidad máxima de soluto que se disuelve en un Solvente,a una T dada (ej. A 25 oC). En este momento decimos que la solución estásaturada porque noo disuelve más soluto.Por lo tanto, para preparar una solución o disolución, debemosconocer su Solubilidad.La Solubilidad(S) se define como la cantidad máxima de soluto que sedisuelve en un volumen dado de solvente o solución, a una T dada.
  • Si 25g es la cantidad máxima de un compuesto que se disuelve en100ml de agua ( a una T ), su solubilidad será igual a 25g/100ml =250g/1000ml = 250g/L.La Solubilidad Molar (Sm) se expresa en moles/LAl disolver 2 moles en 500 mL de solución, su Sm será:Sm = 2mol/0.500L = 4mol/LSoluciones Iónicas y no IónicasEn las soluciones iónicas acuosas, cada especie es hidratada por elsolvente. Las soluciones iónicas debido a que poseen cargas conducen lacorriente eléctrica (electrolitos).Una solución de NaCl no existe como tal, ya que sus iones existenseparadamente:NaCl (s) + H2O  Na+(acuoso) + Cl-(acuoso)En las Soluciones No iónicas, las moléculas no ionizan:C6H12O6 (s) + H2O = C6H12O6(acuoso)Estas soluciones no conducen la corriente eléctrica.Una solución iónica de BaCl2 produce 2 iones de Cl-BaCl2 + H2O == Ba2+(acuoso) + 2 Cl-(acuoso)Luego la [Cl-] en la solución es el doble de la [Ba2+] e igual a la Sm delBaCl2.Una solución de [Ba2+] =0.1M es equivalente 0.2M de Cl-Unidades de ConcentraciónTodas las soluciones tienen una unidad de Concentración, de las cualeslas más importantes son:Porcentaje de masa a volumen - %(w/v)Porcentaje de masa a masa - %(w/w)Partes Por Millón (ppm)Partes por Billón(ppb)PXMolaridad(M)Normalidad(N)1. Porcentaje de masa a Volumen(%(w/v)):%(w/v) = W(soluto)/ V(solución) x 100 View slide
  • La fórmula nos permite relacionar el peso del soluto con suconcentración y el V total.Ejercicio:Se disuelven 10g de NaOH en agua hasta obtener una solución de 500mL.(a) (a) Calcule su %(w/v)(b) (b) Calcule la masa de soluto en 25mL de solución.%(w/v) = W(soluto)/ V(solución) x 100 =10g/500mL x 100 = 2%(w/v)Masa en 25 mL de solución: W(g) = 2g/100mL x 25mL = 0.5g2. Porcentaje de masa a masa - %(w/w):La fórmula nos permite relacionar la masa del soluto con la masa total de la solución.%(w/w) = W(soluto)/ W(solución) x 100Ejercicio:10g de soluto se disuelven en 240g de solución:(a) (a) Calcule su %(w/w)(b) (b) Calcule la masa de soluto en 25g de solución.Masa total = 240g+10g =250g%(w/w) = W(soluto)/ W(solucion) x 100 = 10g/250g x100= 4%Masa del solute en 25 g de solucion: W(soluto) = 4g/100g x 25g = 1g3. Partes Por Millón (ppm):ppm = mg(soluto)/ Kg(solución)Esta unidad se usa mucho en Química Ambiental.Cuando la solución es muy diluida, su D esta cerca de 1g/ml y se puede escribirque:* ppm =mg(soluto)/ L(solución)Ejercicio:Se disuelven 0.10g de soluto en 500mL de solución .(a) (a) Calcule su concentración en ppm(b) (b) Calcule la masa de soluto en 25mL (0.025L)Debemos convertir los datos a mg y a Litros. View slide
  • 500ml x 1L/1000mL = 0.500 L0.10g x 1000mg/1g = 100mgppm = mg(soluto)/ L(solution) = 100mg/0.500L = 200mg/L = 200ppmMasa en 25 mL de solución: W(mg) = ppmx V(L) = 200mg/L x 0.025L = 5mg4. pXpX = - log [X] [X] = mol/L del soluto.Esta unidad logarítmica se usa en los Ácidos y Bases para calcular el pH de lassoluciones.Ejercicio:Calcule el pH de una solución de HCl 0.005M.[H+] = 0.005MpH = - log( 0.005) = 2.7Esta Unidad también nos permite relacionarla con la M de la solución.[X] = 10-pXPor ejemplo, una solución de pH = 4.5Calcule su [H+] [H+] = 10-4.5M5. Molaridad (M):La M es la unidad más usada en Química Analítica.Nos permite usarla tanto en soluciones Iónicas como no Iónicas .M = #moles soluto/Vsolucion  M = #n/ VsoluciónVsolucion  se expresa en litros.El # se moles : #n = W(soluto) / MM ….. MM en g/molMM =W/#nLuego, la M se puede expresar con relación a la masa:M = W(soluto) / (MMxV)La masa del solute sera:W(soluto VxMxMMResumen de las tres fórmulas de más uso:M = #moles soluto/VsolucionM = W(soluto) / (MMxV)W(soluto) = VxMxMM
  • Ejercicio:Se disuelven 2.12g de Na2CO3 (MM=106g/mol)en agua hasta completar 2500mL de solución (2.500L).(a) (a) Calcule su Molaridad.(b) (b) Calcule el # de moles (#n) y milimoles(mmol) de soluto en 250mL desolución.(c) (c) Calcule la masa de soluto en 250mL de solución.(d) (/d) Calcule la Molaridad del Na+en la solución  [Na+]Molaridad de la solucion:M = W(soluto) / (MMxV) = 2.12g/ (106g/molx2.500L= 0.08mol/LM= 0.08 mol/L.#n en 250 mL de solucion: #n = VxM = 0.250L x 0.08 mol/L= 0.02moles.0.02 moles x 1000mmol/1mol = 20 mmoles .  1 mol = 1000mmolMasa de soluto en los 250 mL:W(soluto) = VxMxMM = 0.250Lx 0.08mol/Lx 106g/mol = 0.212g.En la solución anterior hay dos(2) moles de iones Na+, por cada mol de Na2CO3,por lo tanto, la [Na+] seria el doble:Molaridad del Na+[Na+] = 0.08 mol/L Na2CO3 x 2mol Na+/ 1mol Na2CO3 = 0.016mol/L.Ejercicio:Se desea preparar 2500mL (2.500 L) de solución de Na+0.1M, a partir delcompuesto Na2CO3 .Calcule las moles de Na2CO3 y la masa de Na2CO3 necesarias para preparar lasolución.El factor de conversión es = 1mol Na2CO3 /2mol Na+Se calcula primero la M del compuesto Na2CO3M( Na2CO3) = [Na+] x ( 1mol Na2CO3 /2mol Na+) = 0.1M /2 = 0.05M#n = VxM = 2.500L x 0.05mol/L = 0.125mol.Luego se necesitan 0.125 moles del compuesto Na2CO3 .Masa del solute (Na2CO3 .)W(soluto) = VxMxMMW(g) = 2.500Lx 0.05mol/Lx 106g/mol = 13.25gProcedimiento : Se pesan 13.25g del compuesto Na2CO3 puro y se disuelven enagua destilada, hasta obtener una solucion con un V igual a de 2500mL.
  • 6. Normalidad(N): Es la cantidad de Equivalentes (#E) de soluto en un litro desolucion:N = #E/ Solución ……… E Equivalentes ….. V  Vsolucion en litros.El #E es igual a: #E = W/PESi se expresa en gramos:N = W/(PExV) ; por lo tanto: W(g)= VxNxPEEl PE se expresa en g/E .En Ácidos y Bases se divide la MM del compuesto (sin su unidad mol) y sedivide por el # de protones ( H+), o de iones OH-que tiene la fórmula (ver tabla).En el caso de sales como CaSO4 , dividimos la MM sin la unidad mol) por el # deoxidación del Cation. En este caso el Ca tiene un # de oxidación = 2+.136g/2E= 68g/EEl PE del CaCl2 (MM= 111g/mol) será igual a  111g/2E =50.5g/Ecompuesto MM(g/mol) PE(g/E)HCl 36.5 36.5Ca(OH)2 78.0 39.0CaSO4 136 68Resumen de fórmulas:#E = W/PE N=#E/Vsolucion N = W/(PexV) W= VxNxPEEjercicio:Se disuelven 10.6g de Na2CO3 (MM=106g/mol)en agua hasta completar 2500mL de solución (2.500L).(a) (a) Calcule su Normalidad.(b) (b) Calcule los Equivalentes (E) y miliequivalentes(mE) de soluto en 250mLde solución.(c) (c) Calcule la masa de soluto en 250mL de solución.PE = 106g/2E = 53g/EN = W(soluto) / (PExV) = 10.6g/ ( 53g/Ex2.500L) = 008 E/LN= 8 x 10-2E/L.#E = VxN = 0.250L x 0.08E/L= 0.02 E.0.02E x1000mE/1E = 20 mE ……1 E =1000 mEMasa del soluto en los 250 mL:W(soluto) = VxNxPE = 0.250Lx 0.08 E/LX53g/E = 1.06g
  • RELACION ENTRE LA M Y LA NLa N y la M se pueden relacionar entre si. El primer paso es calcular la masa delsoluto porque este que no cambia (para un V igual).Calculemos la masa de soluto de una de solución 0.1M de CaCl2Mm= 111g/mol ….. V =1LW(soluto) = VxMxMM = 1.0Lx 0.1mol/Lx 111g/mol = 11.1gEn la solución hay 11.1g de soluto, independientemente de cómo se exprese suconcentración.Calculemos la Normalidad (N) de la misma solución ( V= 1L). W =11.1 gPE= 111g/2E = 50.5g/EN = W(soluto) / (PExV) = 11.1g/( 50.5g/Ex1.0L) = 0.2E/L = 0.2NASIGNACION: Calcule la M de una solución de Ca(OH)2 005 N.MM= 78g/mol.La N se utiliza también en problemas relacionados con reacciones de Oxidación-Reducción, tema que se discutira en otro capitulo.7. Partes Por Billón (ppb):Esta Unidad se usa para pequeñas cantidades de soluto.Un Billón en el sistema U.S es igual a 1000 millones.1mg = 1000µg (microgramos) 1 g = 1x106gppb = g/Kg solución ppb = g/Solución ( si su D es cerca de 1.0g/mL)W (g) = ppb x SoluciónEjercicio:Se disuelven 0.50g de soluto en 2500mL de solución .(c) (c) Calcule su concentración en ppb(d) (d) Calcule la masa de soluto en 25mL (0.025L)Debemos convertir las unidades a Litros y a g.1g = 1000mg = 1000000g2500ml x 1L/1000mL = 2.500L0.50g x 1000mg/1g = 500mg500mg x1000g/1mg = 500000 g = 5x105g* ppb =g/Lsolucionppb = 5x105g/2.500L =2.5x105g/L = 2.5x105g/L
  • W(mg) = ppbx V(L) =2.5x105g/Lx 0.025L = 5000mgConversiones entre Unidades de concentraciónEn algunos casos, necesitamos convertir una unidad a otra.Sí sabemos que el peso de soluto no cambia y que lo que cambia es la unidad(a igual V). El primer paso es calcular el peso del soluto.Ejercicio:Convertir 100ppm de CaCO3 (MM= 100g/mol) a ( V =1L)(a) (a) %(w/v)(b) (b) %(w/w), si la D de la solución es 1.05g/mL(c) (c) ppb(d) (d) Molaridad(e) (e) Normalidad(f) (f) g/L(g) (g/) Calcule el pCaPara facilitar los cálculos, asumimos que el V total es un Litro.El primer paso es calcular el peso(masa) del soluto:W(mg) = ppm x V = 100mg/L x1L = 100mg ….. 100mg = 0.100gLa solución contiene 0.100g/L ó 0.100g/1000 mLCalculo del porcentaje: %(w/v) = W(g)/V(mL)%(w/v) = 0.100g/1000mL x100 = 0.01%Calculo de la masa de un litro (1 L) sde solución, si su D= 1.05g/mLW = VxD … W(solución) = 1000mLx 1.05g/mL = 1050gCalculo del porcentaje (%(w/w)%(w/w) = .100g/1050g x100 = 0.0095%Calculo en ppm: 0.100g = 100mg = 100000gppb =g/1L = 100000g/1L = 1x 105ppb.Calculo de la M:M = W(soluto) / (MMxV) = 0.100g/(100g/mol x 1L) = 1x10-3mol/LCalculo de la N: .. PE = 100g/2E = 50g/EN= W(soluto)/ (PE xV) = 0.100g/(50g/Ex 1L) = 2x10-3E/L
  • Calculo en g/L: 100mg = 0.100 g100mg/L = 0.100g/LCalculo del pCa:pCa = -log[Ca2+] = -log[1x10-3] = 3Problemas de Estequiometria que incluyen solucionesSe discutirán las posibles reacciones entre un sólido y una solución, y entre dossoluciones.En todos los casos, primero se calculan el # de moles de los compuestosque intervienen en la reacción, y luego se establecen las relacionesestequiometricas correspondientes.Estas se discutieron en la Unidad de Estequiometria.Ejercicio:50.0mL(0.050L) de H2SO4 0.1M reaccionan con un exceso de Ca(OH)2. Calculelas moles de H2O producidos.Ca(OH)2 + H2SO4  CaSO4 + 2 H2O0.050L x 0.1mol/L = 0.0050mol0.0050mol H2SO4 x 2mol H2O/1mol = 0.01mol H2OEjercicio:50.0mL(0.050L) de H2SO4 0.1M reaccionan con 100ml 0.2M de Ca(OH)2.(a) (a) Calcule el RL.(b) (b) Calcule la masa de H2O que se produce.(c) (c) Calcule cuantas moles del RNL reaccionaron(d) (d) Calcule las moles del RNL que sobraron.Ca(OH)2 + H2SO4  CaSO4 + 2 H2OSe calcula la cantidad de producto obtenido para cada reactivo (asuma que es elRL). El verdadero RL es el que produce menos de este producto ( ya sea enmoles o en gramos) · Usando el Reactivo H2SO4 :#n = 0.050Lx0.1mol/L = 0.0050mol0.0050mol H2SO4 x 2mol H2O/1mol = 0.01mol H2O (menor cantidad)Usando el Reactivo Ca(OH)2#n = 0.100mLx 0.2mol/L = 0.02mol
  • 0.02mol Ca(OH)2 x 2mol H2O/1mol Ca(OH)2 = 0.04mol H2OEl reactivo H2SO4 produjo la menor cantidad de moles de H2O; luego el H2SO4es el RL y, por lo tanto se produjeron 0.01mol H2OMasa del producto: W(g) #n x MM =0.01mol H2O x 18g/mol = 0.18g H2O.Se calcula el # de moles del R.No.L que reaccionaron con 0.0050 mol de H2SO4#mol H2SO4  # mol de Ca(OH)20.0050mol H2SO4 x (1mol Ca(OH)2/1mol H2SO4) = 0.0050mol Ca(OH)2Reaccionan 0.0050mol Ca(OH)2 .Luego sobran (0.02- 0.0050) mol Ca(OH)2 = 0.0150mol Ca(OH)2 .Algunos problemas resueltos sobre esta Unidad se encuentran en:http://www.ACS.com