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Properties of aqueous solutions

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Properties of aqueous solutions Presentation Transcript

  • 1.
  • 2. Chemistry, The Central Science
    Theodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.; Bruce E. Bursten and Catherine J. Murphy
    Capítulo13Propiedades de lasSoluciones
    Tomado de http://www.chemistry.mtu.edu/pages/courses/files/ch1120-sgreen/
    Adaptado al español y corregidopor Prof. Julio Alberto ClavijoPenagos
    Bogotá, Colombia, 2010.
  • 3. Soluciones
    Unasoluciónesunamezclahomogénea de dos o mássubstanciaspuras.
    En unasolución, hay un componentequeestásimepre en mayor proporciónque los otros, y se le llama solvente. Los demáscomponentes, que se distribuyendentro del solvente, se llamansolutos.
  • 4. Ejemplos de soluciones
  • 5. Cómo se forma unasolución?
    Los iones son rodeadospor el solvente, poreso se dice que hay solvatación.
    Si el solventeesagua, se habla de hidratación.
    Estaasociaciónocurreporfuerzas de interacción ion-dipolo.
  • 6. El proceso de solución
    Se puedeconsiderarqueunasoluciónocurre en tresetapas:
    Separación de lasmoléculas de soluto.
    Separación de lasmoléculas del solvente, paracrear ‘huecos’.
    Formación de nuevasinteracciones entre soluto y solvente, esdecir, mezclarlos.
  • 7. Entalpíainvolucrada en el proceso de solución
    DHsoln = DH1 + DH2 + DH3
    La energíaque se requiereparaformarunasolución se llama entalpía de solución, DHsoln, y puede ser positiva o negativa.
    DHsoln(MgSO4)= -91.2 kJ/mol --> exotérmica
    DHsoln(NH4NO3)= 26.4 kJ/mol --> endotérmica
  • 8. Entalpíainvolucrada en el proceso de solución
    The enthalpy change of the overall process depends on H for each of these steps.
    Inicio
    Inicio
    Fin
    Fin
    ProcesoExotérmico
    ProcesoEndotérmico
  • 9. Why do endothermic processes sometimes occur spontaneously?
    Some processes, like the dissolution of NH4NO3 in water, are spontaneous at room temperature even though heat is absorbed, not released.
  • 10. Enthalpy Is Only Part of the Picture
    Entropy is a measure of:
    • Dispersal of energy in the system.
    • 11. Number of microstates (arrangements) in the system.
    b. has greater entropy,  is the favored state
    (more on this in chap 19)
  • 12. Entropy changes during dissolution
    Each step also involves a change in entropy.
    Separation of solute particles.
    Separation of solvent particles to make ‘holes’.
    Formation of new interactions between solute and solvent.
  • 13. SAMPLE EXERCISE 13.1Assessing Entropy Change
    In the process illustrated below, water vapor reacts with excess solid sodium sulfate to form the hydrated form of the salt. The chemical reaction is
    Does the entropy of the system increase or decrease?
  • 14. Disolución o Reacción?
    secar
    NiCl2(s)
    Ni(s) + HCl(aq)
    NiCl2(aq) + H2(g)
    Unasoluciónes un cambiofísico, por lo que el soluto se puederecuperarevaporando el solvente.
    Si se evapora el solvente y no se recupera el mismosoluto, la sustancia no se disolviósinoquereaccionó y quedóluegodisuelto.
  • 15. Tipos de Soluciones
    Solubilidad S
    • Es la máximacantidadposible de solutoque se puededisolver en unacnatidad de solvente, a la temperatura dada.
    • 16. Se expresa en moles de solutosobrelitros de solución, mol/L.
  • Tipos de Soluciones
    SoluciónSaturada
    • El Solventetieneyadisuelta la máximacantidadposible de soluto a la temperatura dada.
    • 17. Hay sólido sin disolver en contacto, en equilibriodinámico, con la soluciónsaturada.
  • Tipos de Soluciones
    SoluciónInsaturada
    • El solventetienedisueltaunacantidad de solutomenor a la máximaposible a la temperatura dada.
    • 18. No hay soluto sin disolver.
  • Tipos de Soluciones
    Sobresaturada
    • El solventetienedisueltaunacantidad de solutomayor a la queesnormalmente possible disolver a la temperatura dada. Generalmente, se logracalentando.
    • 19. Estassoluciones son inestables; al agregar un “cristalsemilla ”, unaimpureza, o golpear el vaso, ocurre la cristalización.
  • Degree of saturation
    Unsaturated, Saturated or Supersaturated?
     How much solute can be dissolved in a solution?
    More on this in Chap 17
    (solubility products, p 739)
  • 20. Factoresqueafectan la solubilidad
    Generalmente se dice que “similar disuelve similar”:
    • Sustanciaspolarestienden a disolverse en solventespolares.
    • 21. Sustanciasapolarestienden a disolverse en solventesapolares.
  • Factors Affecting Solubility
    The stronger the intermolecular attractions between solute and solvent, the more likely the solute will dissolve.
    Example: ethanol in water
    Ethanol = CH3CH2OH
    Intermolecular forces = H-bonds; dipole-dipole; dispersion
    Ions in water also have ion-dipole forces.
  • 22. Factors Affecting Solubility
    Glucose (which has hydrogen bonding) is very soluble in water.
    Cyclohexane (which only has dispersion forces) is not water-soluble.
  • 23. Factoresqueafectan la solubilidad
    La VitaminaA essoluble compuestosapolares (comoaceites).
    La VitaminaC essoluble en agua.
  • 24. Cuálvitaminaes soluble en agua, y cuál en aceite?
  • 25. Efecto de la Temperatura
    Generalmente, la solubilidad de solutossólidos en solventeslíquidosaumenta al aumentar la temperatura.
  • 26. Ocurre lo contrarioparasolutosgaseososdisueltos en solventesliquidos: Aumentar la temperaturahacebajar la solubilidad.
    • Las bebidascarbonatadas son más “buubujeantes” si se guardan en el refrigerador.
  • Gases in Solution
    In general, the solubility of gases in water increases with increasing mass.
    Why?
    Larger molecules have stronger dispersion forces.
  • 27. Gases in Solution
  • 28. Efecto de la Presión
    La solubilidad de líquidos y sólidos no cambia apreciablemente con la presión.
    De otrolado, la solubilidad de un Gas en un líquidoesdirectamenteproporcional a supresión.
    Aumentar la presiónsobre la soluciónprovocaquemás gas se diseulva.
  • 29. Ley de Henry
    Sg = kPg
    donde
    Sges la solubilidad del gas, en mol/L;
    kes la constante de ley de Henry para el gas en el solvente dado, en mol/(atm*L;)
    Pges la presiónparcial del gas sobre el líquido, en atm.
  • 30. Henry’s Law
    k for N2 at 25°
    =6.8 x 10-4 mol/L atm
    Sg = kPg
  • 31. Formas de expresar la concentración de lassoluciones
  • 32. Porcentaje de masa o p/p
    g de A disueltos
    G totales de la solución
    mL de A disueltos
    mLtotales de la solución
    g de A disueltos
    mLtotales de la solución
     100
    % p/p de A =
    Porcentaje de volumen o v/v
     100
    % v/v de A =
    Porcentaje peso a volumen o p/v
     100
    % p/v de A =
  • 33. PartesporMillón yPartesporBillón
    g de A disueltos
    g totales de solución
    g de A disueltos
    g totales de solución
    PartesporMillón(ppm)
     106
    ppm =
    PartesporBillón(ppb)
     109
    ppb =
  • 34. moles de A
    Moles totales en solución
    XA =
    Fracción molar(X)
    Algunasveces, esnecesariocalcular la fracción molar de solvente y no la del soluto, por lo que se debecalcular con cuidado.
  • 35. moles de soluto
    L de solución
    M =
    Molaridad(M)
    Como el volume varía al variar la temperatura, la molaridadpuedecambiar al cambiar la temperatura de la solución.
  • 36. moles de soluto
    Kg de solvente
    m =
    Molalidad(m)
    Como ni la masanilas moles cambian al cambiar la temperatura, la molalidad no depende de la temperatura.
  • 37. Masa/Masa
    Moles/Moles
    Moles/L
    Moles/Masa
  • 38. Changing Molarity to Molality
    If we know the density of the solution, we can calculate the molality from the molarity, and vice versa.
  • 39. SAMPLE EXERCISE 13.4 Calculation of Mass-Related Concentrations
    (a) A solution is made by dissolving 13.5 g of glucose (C6H12O6) in 0.100 kg of water. What is the mass percentage of solute in this solution? (b) A 2.5-g sample of groundwater was found to contain 5.4g of Zn2+ What is the concentration of Zn2+ in parts per million?
    PRACTICE EXERCISE
    (a) Calculate the mass percentage of NaCl in a solution containing 1.50 g of NaCl in 50.0 g of water. (b) A commercial bleaching solution contains 3.62 mass % sodium hypochlorite, NaOCl. What is the mass of NaOCl in a bottle containing 2500 g of bleaching solution?
    PRACTICE EXERCISE
    A commercial bleach solution contains 3.62 mass % NaOCl in water. Calculate (a) the molality and (b) the mole fraction of NaOCl in the solution.
  • 40. Ejercicio - Cálculo de concentraciones
    (a)Se haceunasolucióndisolviendo13.5 g de Glucosa(C6H12O6) in 0.100 kg de agua. Cuáles el porcentaje de masa de soluto en estasolución? (b)Se encuentraqueunamuestra de 2.5 g de aguasubterráneacontiene5.4g de Zn2+.Cuáles la concentración de Zn2+ en ppm?
    Solución
    Analizar: Tenemos los gramos de soluto(13.5 g) y los gramos de solvente (0.100 kg = 100 g). Con esto, se puedecalcular % p/p.
    Planear: Hay queusar la expresiónyaconocida. La masa de la soluciónes la suma de lasmasas del soluto y del solvente.
    Resolver: 
    Comment: El porcentaje de masa de agua en estasoluciones (100 – 11.9)% = 88.1%.
    (b) Analizar:Tenemos los microgramos de soluto. Como 1g es1  10–6 g, 5.4g = 5.4  10–6 g.
    Planear:Hyaqueusar la ecuación antes presentada.
    Resolver: 
    Ejercicio de práctica
    (a)Calcule el procentaje de masa de NaCl en unasoluciónquecontiene1.50 g de NaClen 50.0 g de agua. (b)Un blanqueadorcomercialesunasoluciónquecontiene3.62 % p/p de NaOCl. Cuáles la masa de NaOClen unabotellaquecontiene2500 g of blanqueador?
    Answers: (a) 2.91%, (b) 90.5 g of NaOCl
  • 41. PropiedadesColigativas
    LasPropiedadesColigativasdependensolamente de la cantidad de solutodisuelto, no de la naturalezaquímica del mismo.
    Son cuatropropiedades:
    • Descenso de la presión de vapor
    • 42. Aumento del punto de ebullición
    • 43. Descenso del punto de congelación
    • 44. Presiónosmótica
  • 1. Descensoen la presión de vapor del solvente
    Cuando el solventeestápuro, hay un equilibrio de moléculaspasandocontinuamente del líquido al vapor y viceversa, y la cantidad de solventecomo gas tiene un valor fijodenominadopresión de vapor.
  • 45. La presencia del solutoretarda el paso del solventedesde el líquidohacia el vapor, lo quehacequehayamenossolventecomo gas en forma de vapor, esdecir, la presión de vapor del solventedesciende
  • 46. Entonces, la presión de vapor de unasoluciónsiempreesmenor a la del solventepuro. Estoes el Descenso en la Presión de Vapor.
  • 47. Vapor Pressure
  • 48. Ley de Raoult
    PA = XAPA
    donde
    • XAes la fracción molar del componente A
    • 49. PAes la presión de vapor del solventepuro a la temperatura dada.
    NOTA: En ésta, como en lasdemáspropiedadescoligativas, es el solutoquienafecta al solvente.
  • 50. SAMPLE EXERCISE 13.8 Calculation of Vapor-Pressure Lowering
    Glycerin (C3H8O3) is a nonvolatile nonelectrolyte with a density of 1.26 g/mL at 25°C. Calculate the vapor pressure at 25°C of a solution made by adding 50.0 mL of glycerin to 500.0 mL of water. The vapor pressure of pure water at 25°C is 23.8 torr (Appendix B).
    PRACTICE EXERCISE
    The vapor pressure of pure water at 110°C is 1070 torr. A solution of ethylene glycol and water has a vapor pressure of 1.00 atm at 110°C. Assuming that Raoult’s law is obeyed, what is the mole fraction of ethylene glycol in the solution?
  • 51. SAMPLE EXERCISE 13.8 Calculation of Vapor-Pressure Lowering
    Glycerin (C3H8O3) is a nonvolatile nonelectrolyte with a density of 1.26 g/mL at 25°C. Calculate the vapor pressure at 25°C of a solution made by adding 50.0 mL of glycerin to 500.0 mL of water. The vapor pressure of pure water at 25°C is 23.8 torr (Appendix B).
    Solve: To calculate the mole fraction of water in the solution, we must determine the number of moles of C3H8O3 and H2O:
    Solution
    Analyze: Our goal is to calculate the vapor pressure of a solution, given the volumes of solute and solvent and the density of the solute.
    Plan: We can use Raoult’s law (Equation 13.10) to calculate the vapor pressure of a solution. The mole fraction of the solvent in the solution, XA, is the ratio of the number of moles of solvent (H2O) to total solution (moles C3H8O3 + moles H2O).
  • 52. SAMPLE EXERCISE 13.8continued
    We now use Raoult’s law to calculate the vapor pressure of water for the solution:
    The vapor pressure of the solution has been lowered by 0.6 torr relative to that of pure water.
    PRACTICE EXERCISE
    The vapor pressure of pure water at 110°C is 1070 torr. A solution of ethylene glycol and water has a vapor pressure of 1.00 atm at 110°C. Assuming that Raoult’s law is obeyed, what is the mole fraction of ethylene glycol in the solution?
    Answer: 0.290
  • 53. Aumento del Punto de Ebullición y Descenso del Punto de Congelación
    Tb0
    Tf0
  • 54. 2. Aumentodel Punto de Ebullición
    La presencia del solutoprovoca un mayor punto de ebulliciónpara la solución, un Tb:
    Tb = Kb  m i
    dondeKbes la constanteebulloscópica, y pertenecesólo al solvente.
    Para hallar Tb de la solución,
  • 55. 3. Descensodel Punto de Congelación
    La presencia del solutotambiénprovoca un menorpunto de congelaciónpara la solución, un Tf:
    Tf = Kf mi
    DondeKfes la constantecrioscópica del solvente.
    Para hallar Tb de la solución,
  • 56. Aumento del Punto de Ebullición y Descenso del Punto de Congelación
    En ambos casos, Tno depende de cuálsolutoes, sinosolamente de cuántaspartículas hay disueltas; si el soluto no iónico, i vale 1, y siesiónico, ies la cantidad de ionesquetenga el soluto.
    Porejemplo, para el azúcar (sacarosa), i = 1, para el NaCl, i = 2, y para el Ca(OH)2, I = 3.
    Tb = Kb  mi
    Tf = Kf mi
  • 57. Colligative Properties of Electrolytes
    Because these properties depend on the number of particles dissolved, solutions of electrolytes (which dissociate in solution) show greater changes than those of nonelectrolytes.
    e.g. NaCl dissociates to form 2 ion particles; its limiting van’t Hoff factor is 2.
  • 58. Colligative Properties of Electrolytes
    However, a 1 M solution of NaCl does not show twice the change in freezing point that a 1 M solution of methanol does.
    It doesn’t act like there are really 2 particles.
  • 59. van’t Hoff Factor
    One mole of NaCl in water does not really give rise to two moles of ions.
  • 60. van’t Hoff Factor
    Some Na+ and Cl− reassociate as hydrated ion pairs, so the true concentration of particles is somewhat less than two times the concentration of NaCl.
  • 61. The van’t Hoff Factor
    Reassociation is more likely at higher concentration.
    Therefore, the number of particles present is concentration dependent.
  • 62. The van’t Hoff Factor
    We modify the previous equations by multiplying by the van’t Hoff factor, i
    Tf = Kf  m i
    i = 1 for non-elecrtolytes
  • 63. Fundamento de la Ósmosis
    Un membranaesSemipermeablecuandopermite el paso de unaspartículaspero no de otras.
    En sistemasbiológicos, están en nuestrasparedescelulares, y la mayoría de ellasdejanpasaraguahaciauno y otrolado, perobloqueanmuchossolutos.
  • 64. En la ósmosis, hay un movimiento de solventedesde el lugar de mayor presencia de solvente(menorconcentración de soluto) hacia el lugar de menorpresencia de solvente(mayor concentración de soluto).
    El aguatiende a igualarlasconcentraciones en ambos lados.
  • 65. 4. PresiónOsmótica
     =()RT = MRT
    n
    V
    La presiónrequeridaparadetener la ósmosis se llama presiónosmótica:
    dondeMmes la molaridad de la solución
    Si la presiónosmótica en ambos lados de unamembranaesigual (i.e., lasconcentraciones en ambos lados son iguales), lassoluciones son isotónicas.
  • 66. Ósmosis en célulassanguíneas
    Si la concentración de solutofuera de la célulaesmásgrandeque al interior, la solucióneshipertónica.
    El agua sale de la célula, lo que se denominacrenación.
  • 67. Ósmosis en célulassanguíneas
    Si la concentración de solutofuera de la célulaesmenorque al interior, la solucióneshipotónica.
    El aguaentra a la célula, y sientrademasiado, la célula se rompe, lo que se denominahemólisis.
  • 68.
  • 69. Molar Mass from Colligative Properties
    We can use the effects of a colligative property such as osmotic pressure to determine the molar mass of a compound.
  • 70. Colloids:
    Suspensions of particles larger than individual ions or molecules, but too small to be settled out by gravity.
  • 71. Tyndall Effect
    Colloidal suspensions can scatter rays of light.
    This phenomenon is known as the Tyndall effect.
  • 72. Colloids in Biological Systems
    Some molecules have a polar, hydrophilic (water-loving) end and a nonpolar, hydrophobic (water-hating) end.
  • 73. Colloids in Biological Systems
    Sodium stearate is one example of such a molecule.
  • 74. Colloids in Biological Systems
    These molecules can aid in the emulsification of fats and oils in aqueous solutions.
  • 75. END Chap 13
  • 76. Why Do Endothermic Processes Occur?
    Things do not tend to occur spontaneously (i.e., without outside intervention) unless the energy of the system is lowered.
  • 77. Enthalpy Is Only Part of the Picture
    So even though enthalpy may increase, the overall energy of the system can still decrease if the system becomes more disordered.
  • 78. Student, Beware!
    Just because a substance disappears when it comes in contact with a solvent, it doesn’t mean the substance dissolved.