Química General · Liquids, solids and solutions
Disoluciones y unidades de concentración
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con disoluciones y unidades de concentración? Escanea el problema.
Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.
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Lo que aprenderás
- Predict whether a solute dissolves in a solvent from the intermolecular forces each one has.
- Build the enthalpy of solution from solute separation, solvent separation and mixing, and explain why some endothermic dissolutions still happen.
- Describe how the solubility of solids and gases changes with temperature and use solubility data to classify and crystallize solutions.
- Apply Henry's law to find dissolved gas concentrations from partial pressures and the reverse.
- Calculate molarity, molality, mole fraction, mass percent, ppm and ppb, and convert between them using the solution density.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
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Lo semejante disuelve a lo semejante
Una disolución se forma cuando las atracciones soluto–disolvente pueden reemplazar las atracciones soluto–soluto y disolvente–disolvente que deben romperse. Las sustancias no polares unidas por fuerzas de dispersión se mezclan entre sí: el yodo (dibujado con hexano) se disuelve en hexano y da una disolución violeta, pero apenas se disuelve en agua, porque una molécula no polar no puede reemplazar los puentes de hidrógeno que rompería en el agua. Las moléculas polares que forman puentes de hidrógeno, como el etanol, se mezclan con el agua en cualquier proporción. En una serie homóloga la parte no polar crece y la solubilidad en agua disminuye: el etanol es miscible con el agua, el 1-butanol se disuelve hasta unos 70 g/L, el 1-hexanol hasta unos 6 g/L y el hexano casi nada. Los sólidos iónicos se disuelven en agua mediante atracciones ion–dipolo: el extremo del oxígeno del agua apunta hacia los cationes y el extremo del hidrógeno hacia los aniones.
La energía de la disolución
Piensa en la disolución en tres pasos. Separar las partículas del soluto absorbe energía (ΔH₁ > 0), hacer sitio en el disolvente absorbe energía (ΔH₂ > 0) y permitir que el soluto y el disolvente se atraigan libera energía (ΔH₃ < 0). La entalpía de disolución es la suma, ΔHdis = ΔH₁ + ΔH₂ + ΔH₃; un valor positivo significa que la disolución se enfría a medida que el soluto se disuelve. Para un sólido iónico el primer paso es la entalpía de red y los dos últimos se combinan en la entalpía de hidratación de los iones. Para el NaCl (dibujado) la entalpía de red es +788 kJ/mol y la entalpía de hidratación es −784 kJ/mol, de modo que ΔHdis ≈ +788 − 784 = +4 kJ/mol. Los iones pequeños y con carga elevada se hidratan con más fuerza, así que las entalpías de hidratación se vuelven más negativas de Cs⁺ a Li⁺ y son varias veces mayores aún para el Mg²⁺. Una disolución endotérmica puede ser espontánea de todos modos porque dispersar el soluto aumenta la entropía: el nitrato de amonio (ΔHdis ≈ +26 kJ/mol) se disuelve con facilidad y enfría el agua, que es como funcionan las bolsas de frío instantáneo.
Solubilidad y temperatura
La solubilidad es la cantidad de soluto en una disolución saturada, y suele expresarse en g por 100 g de agua. Una disolución que contiene menos es insaturada; una que contiene más que la solubilidad, sin cristales, es sobresaturada y cristaliza al sembrarla. La mayoría de los sólidos se vuelven más solubles al aumentar la temperatura, algunos de forma marcada y otros apenas. El nitrato de potasio se disuelve unos 31.6 g por 100 g de agua a 20 °C y unos 110 g a 60 °C, así que enfriar a 20 °C una disolución saturada de 100 g de agua a 60 °C deposita 110 − 31.6 = 78.4 g de cristales. El cloruro de sodio solo cambia de unos 36 g a unos 38 g entre 20 °C y 80 °C, por lo que se recupera evaporando el agua en lugar de enfriando. Los gases se comportan al revés: disolver un gas no tiene atracciones soluto–soluto que vencer y suele ser exotérmico, así que un gas se vuelve menos soluble a medida que el agua se calienta. El agua caliente retiene menos oxígeno y un refresco caliente pierde el gas más rápido.
Ley de Henry
A temperatura constante, la concentración de un gas disuelto es proporcional a su presión parcial por encima de la disolución: S = kH × P(gas). Con kH(O₂) = 1.3 × 10⁻³ mol L⁻¹ atm⁻¹ a 25 °C y aire a 1.00 atm con 21 % de O₂, P(O₂) = 0.21 atm y S = 1.3 × 10⁻³ × 0.21 = 2.7 × 10⁻⁴ mol/L, que es 2.7 × 10⁻⁴ × 32.00 = 8.7 × 10⁻³ g/L, o 8.7 mg/L. Usa la presión parcial, no la presión total: para una mezcla de gases, P(gas) = x(gas) × P(total). Duplicar la presión parcial duplica la solubilidad, y por eso un refresco sellado retiene mucho más CO₂ que uno abierto y por eso los buceadores que respiran aire comprimido absorben nitrógeno adicional. La ley de Henry funciona mejor para disoluciones diluidas de gases que no reaccionan con el disolvente; los gases muy solubles y reactivos, como el amoníaco y el cloruro de hidrógeno, no la cumplen.
Unidades de concentración
Molaridad, M = mol de soluto por litro de disolución. Molalidad, m = mol de soluto por kilogramo de disolvente. Fracción molar, x(A) = mol de A ÷ mol total de todos los componentes. Porcentaje en masa = masa de soluto ÷ masa de disolución × 100 %. Las partes por millón y por billón son relaciones de masa multiplicadas por 10⁶ y 10⁹; para disoluciones acuosas diluidas, cuya densidad es cercana a 1.00 g/mL, 1 ppm ≈ 1 mg/L y 1 ppb ≈ 1 µg/L. Ejemplo: 10.0 g de urea (dibujada, 60.06 g/mol) en 90.0 g de agua es 10.0/100.0 = 10.0 % en masa; contiene 10.0/60.06 = 0.1665 mol de urea, así que la molalidad es 0.1665/0.0900 kg = 1.85 m; el agua es 90.0/18.015 = 4.996 mol, así que x(urea) = 0.1665/(0.1665 + 4.996) = 0.0323. La molalidad, la fracción molar y las unidades basadas en masa dependen solo de masas y cantidades, así que no cambian con la temperatura; la molaridad sí, porque el volumen de la disolución se expande al calentarse.
Convertir con la densidad
Elige una cantidad cómoda de disolución y luego usa la densidad para pasar entre su masa y su volumen. Escoge la base que simplifique la unidad que te dan o que quieres: 1 L de disolución para una molaridad, 1 kg de disolvente para una molalidad, 100 g de disolución para un porcentaje en masa. Ejemplo: una disolución de NaOH al 20.0 % en masa tiene una densidad de 1.22 g/mL. Un litro tiene una masa de 1220 g, de los cuales el 20.0 % es NaOH: 244 g ÷ 40.00 g/mol = 6.10 mol, así que la disolución es 6.10 M. Para la molalidad toma 100 g de disolución: 20.0 g de NaOH son 0.500 mol disueltos en 80.0 g de agua, así que la molalidad es 0.500/0.0800 kg = 6.25 m. Los dos números difieren porque un litro de disolución no es un kilogramo de disolvente. Pasar de molalidad a molaridad va al revés: masa de disolución = 1000 g de disolvente + masa de soluto, y luego volumen = masa ÷ densidad.
Lo que conviene recordar
Un soluto se disuelve cuando las atracciones soluto–disolvente compensan las atracciones que se rompen, y la entropía puede hacer posible una disolución ligeramente endotérmica. Los sólidos suelen volverse más solubles al calentar; los gases se vuelven menos solubles, y su solubilidad es proporcional a la presión parcial (S = kH·P). Para las concentraciones, escribe cada unidad como una fracción (mol por L de disolución, mol por kg de disolvente, mol por mol total, g por 100 g de disolución), elige una base cómoda y usa la densidad para convertir la masa de disolución en volumen.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 3
Solubilidad, temperatura y gases
- ¿Qué gas se desvía de la ley de Henry?Predice qué gas se aparta de la ley de Henry a partir de su solubilidad y de su reacción con el agua.
- Oxígeno en un río que se calientaPredice cómo el calentamiento del agua cambia la cantidad de un gas que puede contener en saturación.
Cómo se forman las disoluciones
- ¿Qué se disuelve en hexano?Predice qué soluto se disuelve en un disolvente no polar a partir de las fuerzas intermoleculares del soluto y del disolvente.
Clasificar 4
Conversión de unidades con densidad
- ¿Qué relaciona la molaridad y la molalidad?Identifica la propiedad medida que se necesita para convertir entre una concentración basada en volumen y una basada en masa.
Solubilidad, temperatura y gases
- Clasifica una disolución de nitrato de potasioClasifica una disolución como insaturada, saturada o sobresaturada comparando su composición con la solubilidad.
Unidades de concentración
- ¿Qué unidad cambia al calentar?Clasifica las unidades de concentración según si dependen de la temperatura.
Cómo se forman las disoluciones
- ¿Qué pasos de la disolución absorben energía?Asigna el signo del cambio de entalpía a cada paso del modelo de tres pasos de la disolución.
Comparar 4
Cómo se forman las disoluciones
- Ordena según la solubilidad en aguaOrdena alcoholes y un alcano según su solubilidad en agua a partir del equilibrio entre la parte que forma puentes de hidrógeno y la parte no polar.
- Ordena los iones según su entalpía de hidrataciónOrdena los iones según la magnitud de su entalpía de hidratación a partir de la carga y el radio iónico.
- ¿Vitamina liposoluble o hidrosoluble?Compara la solubilidad en agua de dos vitaminas a partir de la proporción de grupos que forman puentes de hidrógeno en sus estructuras.
Unidades de concentración
- Ordena disoluciones de glucosa expresadas en unidades distintasOrdena disoluciones expresadas en distintas unidades de concentración convirtiéndolas a una unidad común.
Calcular 17
Solubilidad, temperatura y gases
- Nitrógeno liberado cuando un buzo sube a la superficieCombina la ley de Henry y la ley de los gases ideales para hallar el volumen de gas liberado cuando baja la presión sobre una disolución.
- Metano disuelto a partir de una mezcla de gasesCombina la ley de Dalton y la ley de Henry para hallar la concentración másica de un gas disuelto a partir de una mezcla.
- Nitrógeno disuelto en aguaUsa la ley de Henry con una presión parcial para hallar la concentración de un gas disuelto.
- CO₂ que se pierde al abrir un refrescoUsa la ley de Henry a dos presiones parciales para hallar la masa de gas liberada de una disolución.
Unidades de concentración
- Molalidad de una disolución anticongelanteCalcula la molalidad a partir de la masa de soluto y la masa de disolvente.
- Fluoruro de sodio para fluorar el aguaUsa un objetivo en ppm para hallar la masa de una sal necesaria para aportar uno de sus iones.
- Fracción molar del peróxido de hidrógeno al 30 %Convierte un porcentaje en masa en una fracción molar usando una base de 100 g.
- Plomo en agua potable en ppbExpresa un contaminante traza en partes por mil millones en masa.
- Fracción molar de glucosa a partir de la molalidadConvierte una molalidad en fracción molar tomando 1 kg de disolvente como base.
- Porcentaje en masa de una disolución de azúcarCalcula el porcentaje en masa de un soluto a partir de las masas del soluto y del disolvente.
Conversión de unidades con densidad
- Molaridad a partir de una fracción molarConvierte una fracción molar en una molaridad a través de la masa y el volumen de una cantidad de disolución elegida.
- Magnesio en agua de mar: de ppm a mmol/LConvierte una concentración en ppm en masa a una concentración molar usando la densidad de una disolución no diluida.
- Molalidad de una disolución 2.00 M de cloruro de sodioConvierte una molaridad en una molalidad usando la densidad de la disolución y la masa molar del soluto.
- Molalidad del ácido sulfúrico concentradoHalla la molalidad de una disolución concentrada a partir de su porcentaje en masa y reconoce qué datos no se necesitan.
- Molaridad del ácido sulfúrico concentradoConvierte un porcentaje en masa a una molaridad usando la densidad de la disolución.
- Molaridad de una disolución de urea 3.00 mConvierte una molalidad en molaridad construyendo la masa de la disolución sobre una base de 1 kg de disolvente.
Cómo se forman las disoluciones
- Entalpía de disolución del NaClCombina una entalpía de red y una entalpía de hidratación para obtener una entalpía de disolución.
Encuentra el error 2
Cómo se forman las disoluciones
- Por qué el hexano y el agua se separanEncuentra el error en una explicación de por qué un líquido no polar no se mezcla con el agua.
Unidades de concentración
- Revisa una etiqueta de molalidadEncuentra el error cuando la molalidad se calcula con la masa de disolución en lugar de la masa de disolvente.
Interpreta la evidencia 2
Conversión de unidades con densidad
- Lee la etiqueta de un amoníaco concentradoLee el porcentaje en masa y la densidad de la etiqueta de un reactivo y conviértelos en una molaridad.
Solubilidad, temperatura y gases
- Cristales al enfriar una disolución de KNO₃Consulta datos de solubilidad a dos temperaturas para hallar la masa que cristaliza al enfriar una disolución saturada.
Trabaja hacia atrás 3
Cómo se forman las disoluciones
- Entalpía de hidratación del cloruro a partir de KClRecorre el ciclo de disolución en sentido inverso para hallar la entalpía de hidratación de un ion.
Conversión de unidades con densidad
- Porcentaje en masa del ácido nítrico concentradoA partir de una molaridad y una densidad, llega al porcentaje en masa que aparece en la etiqueta de un reactivo.
Solubilidad, temperatura y gases
- Presión de O₂ para una concentración objetivoReordena la ley de Henry para hallar la presión parcial necesaria para una concentración de gas disuelto requerida.
Planea una síntesis 2
Conversión de unidades con densidad
- Preparar cloruro de sodio 0.500 mElige el procedimiento que produce una disolución de molalidad especificada y no de molaridad.
Solubilidad, temperatura y gases
- Recuperar sal de la salmueraElige un método de cristalización según cuánto depende la solubilidad de un sólido de la temperatura.
Explica por qué 3
Cómo se forman las disoluciones
- Por qué la acetona y el cloroformo se calientan al mezclarseExplica una mezcla exotérmica de dos líquidos mediante una atracción soluto–disolvente ausente en ambos líquidos puros.
- ¿Por qué funciona una bolsa de frío?Explica por qué una disolución endotérmica puede ser espontánea de todos modos.
Solubilidad, temperatura y gases
- Por qué los gases se disuelven de forma exotérmicaExplica, a partir del modelo de tres pasos, por qué disolver un gas en agua suele ser exotérmico.
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