Properties of aqueous solutions

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Properties of aqueous solutions

  1. 1. Solutions University Chemistry II Spring 2006 Instructor: Dr. Sarah A. Green Office: Chem Sci. 607 Phone: 487-2048 Email address: sgreen@mtu.edu Office hours: Wednesday 1:00–3:00 pm Class time: MWF 11:05-11:55 Place: DOW 641 Lab Supervisor: Lorri Reilly, Chemical Sci. 508B, lareilly@mtu.edu ; 7-2044 Learning Center Coordinator: Lois Blau, Chem Sci. 206A lablau@mtu.edu; 7-2297 Textbook: Chemistry: The Central Science, 10th edition, by Brown, LeMay, and Bursten. Week Dates Chapter Topic 1 Jan 9-13 13 Solutions 2 Jan 16-20 14 Chemical Kinetics 3 Jan 23-27 15 Chemical Equilibrium 4 Jan 30-Feb 3 16 Acid-Base Equilibria 5 Feb 6-8 17 No class Friday: Winter Carnival 6 Feb 13-15 17, Review EXAM 1 Feb 15, 6:00 pm 13-16 No class Friday, Feb 17 7 Feb 20-24 18 Environmental Chemistry 8 Feb 27-March 3 19 Thermodynamics BREAK March 6-10 9 March 13-17 20 Electrochemistry 10 March 20-22 Review EXAM II March 22, 6:00 pm 17-20 No class Friday, March 24 11 March 27-31 21 Nuclear Chemistry 12 April 3-7 22 Nonmetals 13 April 10-12 23 Metals EXAM III April 12, 6:00 pm 21-23 No class Friday, April 14 14 April 17-21 25 Organic/Biochem FINAL EXAM: Wednesday, April 26 from 10:15 am - 12:15 pm This schedule is subject to modification. Any changes will be announced in class and posted to the class via WebCT.
  2. 2. Solutions Capítulo 13 Propiedades de las Soluciones Tomado de http://www.chemistry.mtu.edu/pages/courses/files/ch1120-sgreen/ Adaptado al español y corregido por Prof. Julio Alberto Clavijo Penagos Bogotá, Colombia, 2010. Chemistry, The Central Science Theodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.; Bruce E. Bursten and Catherine J. Murphy
  3. 3. Solutions Soluciones • Una solución es una mezcla homogénea de dos o más substancias puras. • En una solución, hay un componente que está simepre en mayor proporción que los otros, y se le llama solvente. Los demás componentes, que se distribuyen dentro del solvente, se llaman solutos.
  4. 4. Solutions Ejemplos de soluciones
  5. 5. Solutions Cómo se forma una solución? Los iones son rodeados por el solvente, por eso se dice que hay solvatación. Si el solvente es agua, se habla de hidratación. Esta asociación ocurre por fuerzas de interacción ion- dipolo.
  6. 6. Solutions El proceso de solución Se puede considerar que una solución ocurre en tres etapas: 1. Separación de las moléculas de soluto. 2. Separación de las moléculas del solvente, para crear ‘huecos’. 3. Formación de nuevas interacciones entre soluto y solvente, es decir, mezclarlos.
  7. 7. Solutions La energía que se requiere para formar una solución se llama entalpía de solución, DHsoln, y puede ser positiva o negativa. DHsoln = DH1 + DH2 + DH3 DHsoln (MgSO4)= -91.2 kJ/mol --> exotérmica DHsoln (NH4NO3)= 26.4 kJ/mol --> endotérmica Entalpía involucrada en el proceso de solución
  8. 8. Solutions Entalpía involucrada en el proceso de solución The enthalpy change of the overall process depends on DH for each of these steps. Inicio Fin Fin Inicio Proceso Exotérmico Proceso Endotérmico
  9. 9. Solutions 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. 10. Solutions Enthalpy Is Only Part of the Picture Entropy is a measure of: • Dispersal of energy in the system. • Number of microstates (arrangements) in the system. b. has greater entropy,  is the favored state (more on this in chap 19)
  11. 11. Solutions Entropy changes during dissolution Each step also involves a change in entropy. 1. Separation of solute particles. 2. Separation of solvent particles to make ‘holes’. 3. Formation of new interactions between solute and solvent.
  12. 12. Solutions SAMPLE EXERCISE 13.1 Assessing 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?
  13. 13. Solutions Disolución o Reacción? • Una solución es un cambio físico, por lo que el soluto se puede recuperar evaporando el solvente. • Si se evapora el solvente y no se recupera el mismo soluto, la sustancia no se disolvió sino que reaccionó y quedó luego disuelto. Ni(s) + HCl(aq) NiCl2(aq) + H2(g) NiCl2(s) secar
  14. 14. Solutions Tipos de Soluciones • Solubilidad S Es la máxima cantidad posible de soluto que se puede disolver en una cnatidad de solvente, a la temperatura dada. Se expresa en moles de soluto sobre litros de solución, mol/L.
  15. 15. Solutions Tipos de Soluciones • Solución Saturada El Solvente tiene ya disuelta la máxima cantidad posible de soluto a la temperatura dada. Hay sólido sin disolver en contacto, en equilibrio dinámico, con la solución saturada.
  16. 16. Solutions • Solución Insaturada El solvente tiene disuelta una cantidad de soluto menor a la máxima posible a la temperatura dada. No hay soluto sin disolver. Tipos de Soluciones
  17. 17. Solutions • Sobresaturada El solvente tiene disuelta una cantidad de soluto mayor a la que es normalmente possible disolver a la temperatura dada. Generalmente, se logra calentando. Estas soluciones son inestables; al agregar un “cristal semilla ”, una impureza, o golpear el vaso, ocurre la cristalización. Tipos de Soluciones
  18. 18. Solutions 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)
  19. 19. Solutions Factores que afectan la solubilidad • Generalmente se dice que “similar disuelve similar”: Sustancias polares tienden a disolverse en solventes polares. Sustancias apolares tienden a disolverse en solventes apolares.
  20. 20. Solutions 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.
  21. 21. Solutions Factors Affecting Solubility Glucose (which has hydrogen bonding) is very soluble in water. Cyclohexane (which only has dispersion forces) is not water- soluble.
  22. 22. Solutions • La Vitamina A es soluble compuestos apolares (como aceites). • La Vitamina C es soluble en agua. Factores que afectan la solubilidad
  23. 23. Solutions Cuál vitamina es soluble en agua, y cuál en aceite?
  24. 24. Solutions Efecto de la Temperatura Generalmente, la solubilidad de solutos sólidos en solventes líquidos aumenta al aumentar la temperatura.
  25. 25. Solutions • Ocurre lo contrario para solutos gaseosos disueltos en solventes liquidos: Aumentar la temperatura hace bajar la solubilidad. Las bebidas carbonatadas son más “buubujeantes” si se guardan en el refrigerador.
  26. 26. Solutions Gases in Solution • In general, the solubility of gases in water increases with increasing mass. Why? • Larger molecules have stronger dispersion forces.
  27. 27. Solutions Gases in Solution QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture.
  28. 28. Solutions Efecto de la Presión • La solubilidad de líquidos y sólidos no cambia apreciablemente con la presión. • De otro lado, la solubilidad de un Gas en un líquido es directamente proporcional a su presión. Aumentar la presión sobre la solución provoca que más gas se diseulva.
  29. 29. Solutions Ley de Henry Sg = kPg donde • Sg es la solubilidad del gas, en mol/L; • k es la constante de ley de Henry para el gas en el solvente dado, en mol/(atm*L;) • Pg es la presión parcial del gas sobre el líquido, en atm.
  30. 30. Solutions Henry’s Law Sg = kPg k for N2 at 25° =6.8 x 10-4 mol/L atm
  31. 31. Solutions Formas de expresar la concentración de las soluciones
  32. 32. Solutions Porcentaje de masa o p/p % p/p de A = g de A disueltos G totales de la solución  100 Porcentaje de volumen o v/v % v/v de A = mL de A disueltos mL totales de la solución  100 Porcentaje peso a volumen o p/v % p/v de A = g de A disueltos mL totales de la solución  100
  33. 33. Solutions Partes por Millón y Partes por Billón ppm = g de A disueltos g totales de solución  106 Partes por Millón (ppm) Partes por Billón (ppb) ppb = g de A disueltos g totales de solución  109
  34. 34. Solutions moles de A Moles totales en solución XA = Fracción molar(X) • Algunas veces, es necesario calcular la fracción molar de solvente y no la del soluto, por lo que se debe calcular con cuidado.
  35. 35. Solutions moles de soluto L de solución M = Molaridad (M) • Como el volume varía al variar la temperatura, la molaridad puede cambiar al cambiar la temperatura de la solución.
  36. 36. Solutions moles de soluto Kg de solvente m = Molalidad (m) Como ni la masa ni las moles cambian al cambiar la temperatura, la molalidad no depende de la temperatura.
  37. 37. Solutions
  38. 38. Solutions 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.
  39. 39. Solutions Propiedades Coligativas • Las Propiedades Coligativas dependen solamente de la cantidad de soluto disuelto, no de la naturaleza química del mismo. • Son cuatro propiedades: Descenso de la presión de vapor Aumento del punto de ebullición Descenso del punto de congelación Presión osmótica
  40. 40. Solutions 1. Descenso en la presión de vapor del solvente Cuando el solvente está puro, hay un equilibrio de moléculas pasando continuamente del líquido al vapor y viceversa, y la cantidad de solvente como gas tiene un valor fijo denominado presión de vapor.
  41. 41. Solutions La presencia del soluto retarda el paso del solvente desde el líquido hacia el vapor, lo que hace que haya menos solvente como gas en forma de vapor, es decir, la presión de vapor del solvente desciende
  42. 42. Solutions Entonces, la presión de vapor de una solución siempre es menor a la del solvente puro. Esto es el Descenso en la Presión de Vapor.
  43. 43. Solutions Vapor Pressure
  44. 44. Solutions Ley de Raoult PA = XAPA donde • XA es la fracción molar del componente A • PA es la presión de vapor del solvente puro a la temperatura dada. NOTA: En ésta, como en las demás propiedades coligativas, es el soluto quien afecta al solvente.
  45. 45. Solutions 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?
  46. 46. Solutions Aumento del Punto de Ebullición y Descenso del Punto de Congelación Tf 0 Tb 0
  47. 47. Solutions 2. Aumento del Punto de Ebullición La presencia del soluto provoca un mayor punto de ebullición para la solución, un DTb: DTb = Kb  m i donde Kb es la constante ebulloscópica, y pertenece sólo al solvente. Para hallar Tb de la solución, .0 bbb TTT D
  48. 48. Solutions 3. Descenso del Punto de Congelación • La presencia del soluto también provoca un menor punto de congelación para la solución, un DTf : DTf = Kf  m i Donde Kf es la constante crioscópica del solvente. Para hallar Tb de la solución, .0 fff TTT D
  49. 49. Solutions En ambos casos, DT no depende de cuál soluto es, sino solamente de cuántas partículas hay disueltas; si el soluto no iónico, i vale 1, y si es iónico, i es la cantidad de iones que tenga el soluto. Por ejemplo, para el azúcar (sacarosa), i = 1, para el NaCl, i = 2, y para el Ca(OH)2, I = 3. DTb = Kb  m i DTf = Kf  m i Aumento del Punto de Ebullición y Descenso del Punto de Congelación
  50. 50. Solutions 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.
  51. 51. Solutions 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.
  52. 52. Solutions van’t Hoff Factor One mole of NaCl in water does not really give rise to two moles of ions.
  53. 53. Solutions 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.
  54. 54. Solutions The van’t Hoff Factor • Reassociation is more likely at higher concentration. • Therefore, the number of particles present is concentration dependent.
  55. 55. Solutions The van’t Hoff Factor We modify the previous equations by multiplying by the van’t Hoff factor, i DTf = Kf  m  i i = 1 for non-elecrtolytes
  56. 56. Solutions Fundamento de la Ósmosis • Un membrana es Semipermeable cuando permite el paso de unas partículas pero no de otras. • En sistemas biológicos, están en nuestras paredes celulares, y la mayoría de ellas dejan pasar agua hacia uno y otro lado, pero bloquean muchos solutos.
  57. 57. Solutions En la ósmosis, hay un movimiento de solvente desde el lugar de mayor presencia de solvente (menor concentración de soluto) hacia el lugar de menor presencia de solvente (mayor concentración de soluto). El agua tiende a igualar las concentraciones en ambos lados.
  58. 58. Solutions 4. Presión Osmótica • La presión requerida para detener la ósmosis se llama presión osmótica : n V  = ( )RT = MRT donde M m es la molaridad de la solución Si la presión osmótica en ambos lados de una membrana es igual (i.e., las concentraciones en ambos lados son iguales), las soluciones son isotónicas.
  59. 59. Solutions Ósmosis en células sanguíneas • Si la concentración de soluto fuera de la célula es más grande que al interior, la solución es hipertónica. • El agua sale de la célula, lo que se denomina crenación.
  60. 60. Solutions Ósmosis en células sanguíneas • Si la concentración de soluto fuera de la célula es menor que al interior, la solución es hipotónica. • El agua entra a la célula, y si entra demasiado, la célula se rompe, lo que se denomina hemólisis.
  61. 61. Solutions
  62. 62. Solutions 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.
  63. 63. Solutions Colloids: Suspensions of particles larger than individual ions or molecules, but too small to be settled out by gravity.
  64. 64. Solutions Tyndall Effect • Colloidal suspensions can scatter rays of light. • This phenomenon is known as the Tyndall effect.
  65. 65. Solutions Colloids in Biological Systems Some molecules have a polar, hydrophilic (water-loving) end and a nonpolar, hydrophobic (water- hating) end.
  66. 66. Solutions Colloids in Biological Systems Sodium stearate is one example of such a molecule.
  67. 67. Solutions Colloids in Biological Systems These molecules can aid in the emulsification of fats and oils in aqueous solutions.
  68. 68. Solutions END Chap 13

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