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Tema 6: Disoluciones y gases Qumica

Tema 6. Disoluciones y gases

Disoluciones

Unidades de concentracin

Formacin de una disolucin y equilibrio

Propiedades Coligativas

Aplicaciones Prcticas

Medidas en gases: Volumen, cantidad de materia y temperatura, Presin

Leyes de los Gases.

Leyes de Boyle, de Charles y de Avogadro.

Ley de los gases ideales.

Mezclas de gases.

Presiones parciales y fracciones molares.

Gases hmedos. Presin parcial del agua.

Gases reales. Desviacin del comportamiento ideal


Disoluciones

Mezclas : Composicin variable. Conservan algunas propiedades de sus componentes.

Disolucin: mezcla homognea de dos o ms sustancias.

Disolvente: sustancia que est en mayor proporcin

Soluto: sustancia que est en menor proporcin

Coloide: mezcla en la cual uno de los componentes est disperso como finas partculas en otro componente.

Diferencias entre soluciones y coloides :

En una solucin las partculas son tomos individuales, iones, molculas pequeas.

En un coloide las partculas son tpicamente macromolculas o agregados de molculas pequeas

que no son lo suficientemente grandes para depositarse.

Diferentes tipos de disoluciones

Disolucin Ejemplo

Gas en gas Aire (O2, N2, Ar y otros gases)

Gas en lquido Agua carbonatada (CO2 en agua)

Gas en slido H2 en paladio metlico

Lquido en lquido Gasolina (mezcla de hidrocarburos)

Lquido en slido Amalgama dental (Hg en plata)

Slido en lquido Agua de mar (NaCl y otras sales en agua)

Slido en slido Aleaciones metlicas como bronce (Cu/Zn)


Disoluciones

Proceso de disolucin

Las fuerzas intermoleculares juegan un papel muy importante en la formacin de

disoluciones. Hay que considerar tres tipos de fuerzas:

Disolvente-disolvente

Soluto-soluto

Soluto-disolvente

La entalpa de disolucin:

DHdis = DH1 + DH2 + DH3

Las disoluciones se

forman cuando estos

tres tipos de fuerzas

son similares

DH1 DH2

DH3


Si DHdis > 0 (proceso endotrmico) si DH3 < DH1 +DH2

Si DHdis < 0 (proceso exotrmico) si DH3 > DH1 +DH2

Disoluciones


Cmo puede disolverse un soluto en un disolvente si la atraccin entre sus

molculas es ms fuerte que la atraccin soluto-disolvente?

Factor energtico Factor entrpico (desorden

Menos desorden Ms desorden

Disoluciones


Lo semejante disuelve a los semejante:

Sustancias cuyas fuerzas intermoleculares son del mismo tipo y magnitud sern

solubles entre s

El agua disuelve muy bien a compuestos moleculares como los que aparecen

en la figura por formacin de puente de hidrgeno. La solubilidad de las

sustancias no polares en agua es muy pequea, y en general los compuestos

orgnicos no son solubles en agua.

Etanol

(CH3CH2OH)

Etilnglicol

(CH2OHCH2OH)

Glicerol

(CH2OHCHOHCH2OH)

El agua tambin disuelve a compuestos

inicos

Disoluciones


Porcentaje en masa (m/m)

Porcentaje en volumen (v/v)

Porcentaje masa/volumen (m/v)

Solucin isotnica salina se prepara disolviendo

0.9g de NaCl en 100mL de agua: 0.9% NaCl (masa/volumen)

Disolucin de etanol al 10% (v/v)

Disoluciones muy diluidas se expresan:

ppm: partes por milln (g/g, mg/L)

ppb: partes por billn (ng/g, g/L)

ppt partes por trilln (pg/g, ng/L)

=

Cantidad de componente I (en moles)

Cantidad total de todos los componentes(en moles)

1 + 2 + 3 + n = 1

Molaridad (M) Cantidad de soluto en moles

Volumen de la solucin (en litros)

Molalidad (m) Cantidad de soluto en moles

Masa de disolvente (en Kg)

Unidades de concentracin

ppm = masa de soluto

masa total de disolucin

x 106 = % masa x 104

% masa = masa de soluto

masa total de disolucin X 100


Solubilidad en agua de algunas sales en

funcin de la temperatura. La solubilidad de

los slidos aumenta con la temperatura.

Solubilidad (S): mxima cantidad de soluto que se disolver en un disolvente a una

temperatura dada. Se expresa en g/L.

Disolucin saturada (cantidad de soluto disuelto = S)

Disolucin no saturada (cantidad de soluto disuelto S)


slido + lquido disolucin DHdisolucin 0


Todos los gases se hacen ms

insolubles en agua cuando

aumenta la temperatura

Solubilidad de gases en agua

Ley de Henry: efecto de la presin sobre la solubilidad de un gas

a T=cte. La solubilidad de un gas en un lquido es directamente

proporcional a la presin parcial del gas S= k.p

c P

c = kP

C = moles/L

K = cte de Henry

P = atm

gas + lquido disolucin DHdisolucin 0



Son propiedades que dependen del nmero de partculas (tomos o molculas) de

soluto en la disolucin y no de la naturaleza de las partculas.

Las propiedades coligativas son:

Disminucin de la presin de vapor

Elevacin del punto de ebullicin

Descenso crioscpico

Presin osmtica.

Descenso de la Presin de vapor (ley de Raoult)

Cuando un soluto no voltil se disuelve en un disolvente, la presin de vapor

de la disolucin es menor que la del disolvente puro.

Raoult (1880): la presin parcial de un disolvente en una disolucin es igual al

producto de la fraccin molar del disolvente por la presin de vapor del

disolvente puro.

Propiedades coligativas

PA = A P P= Presin de vapor

del dte puro


"la disminucin relativa de la presin de vapor de un disolvente puro, cuando se le

agrega un soluto no inico ni voltil, coincide con el valor de la fraccin molar del soluto"

Po= presin de vapor del disolvente puro

P = presin de vapor de la disolucin

= fraccin molar del soluto

Propiedades coligativas. Ley de Raoult

En una disolucin formada por un soluto y un disolvente 1 = 1- 2, donde 2, es la

fraccin molar del soluto. La expresin puede escribirse como

La disminucin en la presin de vapor DP es directamente proporcional a la

concentracin del soluto (fraccin molar)

Si el soluto es voltil, entonces la presin de vapor de la disolucin es la suma de las

presiones parciales individuales:

P1 = 1P1

P1 = (1- 2 )P1

DP = P1-P1 = 2P1 o bien,

P0 P

P0 s ol

PT = APA + BPB


Elevacin del punto de ebullicin

El punto de ebullicin de una disolucin es mayor que el punto

de ebullicin del dte puro.

Esto se debe a la disminucin en la presin de vapor en la

disolucin(Ley de Raoult). Se deben de alcanzar T ms altas antes de

que hierva, es decir, antes que su presin de vapor iguale la presin

externa.

DTe= Te- Teo = ke molalidad

donde:

Te es el punto de ebullicin de la disolucin

Teo

es el punto de ebullicin del dte puro

ke constante molal del punto de ebullicin

Propiedades coligativas. Elevacin del punto de ebullicin


Descenso crioscpico (o del punto de congelacin)

El punto de congelacin de una disolucin es menor que el

punto de congelacin del dte puro.

Esto es consecuencia directa de la disminucin en la presin

de vapor del disolvente por el soluto. El disolvente puro se separa cuando

la disolucin se congela.

DTf= Tfo - Tf = kf molalidad

donde:

Tf es el punto de congelacin de la disolucin

Tfo

es el punto de congelacin del dte puro

kf constante molal del punto de congelacin

Propiedades coligativas. Descenso crioscpico


Diagrama de fases:

Propiedades coligativas. Descenso crioscpico y Elevacin punto ebullicin


Presin osmtica

El proceso de transferencia de disolvente puro a travs de una membrana

semipermeable desde una disolucin diluida a otra ms concentrada, se llama smosis.

Propiedades coligativas. Presin osmtica

Como consecuencia de la

smosis el nivel de agua asciende

por una de las ramas de la U

(Figura B)

La presin osmtica () es la

presin requerida para parar el

proceso de smosis (Figura C)

V = nRT

= RT n

V

= M RT M molaridad de la disolucin

R Constante de los gases (0.08206

L(atm)/mol(K))

T T en Kelvin


Disoluciones isotnicas: tienen la misma concentracin (misma )

Disolucin hipertnica: la disolucin ms concentrada

Disolucin hipotnica: la disolucin ms diluida

Proceso de smosis inversa:

- desalinizacin del agua del mar

Aplicamos una presin superior a la presin

osmtica y las molculas de agua fluyen

desde la disolucin salina al compartimiento

del agua pura

Agua pura Agua de mar

Presin

Propiedades coligativas. Presin osmtica


Propiedades coligativas. Aplicaciones prcticas


Caractersticas de los gases:

-Se expande hasta rellenar cualquier volumen (expandibilidad)

-Compresibilidad

-Se mezcla fcilmente con otros gases para dar mezclas homogneas

-Este comportamiento se explica considerando que un gas est formado por

molculas puntuales que se mueven a gran velocidad y estn separadas entre s por

grandes distancias, ya que no existen fuerzas de atraccin entre ellas. (teora

cintica de los gases)

- Un gas queda definido por cuatro variables:

- Cantidad de sustancia

- Volumen

- Presin

- Temperatura

- moles

- Litros, mililitros, metros cbicos

- Atmsferas, bares, mm Hg, Pa

- C, K

Gases: Volumen, cantidad de materia y temperatura, Presin

1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 1.01325 x 105 Pa = 101.325 kPa


Ley de Boyle

El volumen de un gas es inversamente

proporcional a la presin (a temperatura y cantidad de

materia constantes).

V a 1/P (a n y T ctes)

V = k/P

Leyes de los gases. Ley de Boyle


Ley de Charles*:

El volumen de un gas es directamente

proporcional a la temperatura absoluta (a presin y cantidad

de materia constantes).

V a T (a n y P ctes)

V = k.T

* Tambin denominada de Charles y Gay-Lussac

A P = 1 atm y T = 273 K, V = 22.4 l para cualquier gas.

El volumen se

hace cero a 0 K

Leyes de los gases. Ley de Charles
http://science.widener.edu/svb/tutorial/charleslawcs.html


Cuando se saca el matraz del bao de

agua hielo y se coloca en otro de agua

tibia, el gas se expande y empuja

lentamente hacia arriba el mbolo de la

jeringa.

Leyes de los gases. Ley de Charles


Ley de Avogadro:

El volumen de un gas es directamente proporcional a la

cantidad de materia (nmero de moles), a presin y temperatura

constantes.

V a n (a T y P ctes) V = k.n

V (L)

n

En la formacin de H2O(g) se necesitan la mitad de molculas de

O2 que de H2. Si volmenes iguales de gases contienen nmeros

iguales de molculas , el volumen de O2 (g) es la mitad del de H2

(g). La razn de combinacin expresada en volmenes es 2:1:2.

Leyes de los gases. Ley de Avogadro


Combinacin de las tres leyes:

P Boyle: V =

k DT= 0, Dn= 0

Charles: V = k. T DP= 0, Dn= 0

Avogadro: V = k. n DP= 0, DT= 0

V = P

kkk n T =

P

R n T

Ley de los gases ideales:

PV = nRT

R se calcula para:

n = 1 mol

P = 1 atm

V = 22,4 l

T = 273 K

R = 0.082 atm L/ mol K

R = 8.31 J/ mol K = 1.987 cal /mol K

Leyes de los gases. Ley de los gases ideales


Un tanque de acero tiene un volumen de 438 L y se llena con 0.885 Kg de O2. Calcular la

presin de este gas a 21 C.

V = 438L T = 21 C (convertir a K)

n = 0.885kg (convertir en mol) P = desconocida

21 C + 273.15 = 294K 0.885kg 103g

kg

mol O2

32.00g O2 = 27.7mol O2

P = nRT

V =

24.7mol 294K atm*L

mol*K 0.0821 x x

438L = 1.53atm




Calcular la densidad (en g/L) del dixido de carbono y el nmero de molculas por litro

a) en condiciones normales (0 C y 1 atm) y b) a temperatura y presin ambientales

(20 C y 1 atm).

d = masa/volumen PV = nRT V = nRT/P d = RT

M x P

1.96g

L

mol CO2

44.01g CO2

6.022x1023molculas

mol = 2.68x1022molculas CO2/L

d = 44.01g/mol x 1atm

atm*L

mol*K 0.0821 x 273K

= 1.96g/L (a)

d = 1.83g/L 2.50x1022molecules CO2/L (b)


Ley de Dalton

La presin total de una mezcla de gases es igual

a la suma de las presiones parciales de los componentes de

la mezcla.

Ptot = ntot (RT/V)

Para la mezcla de A y B, ntot = nA + nB

Ptot = (nA + nB) (RT/V) = nA (RT/V) + nB (RT/V) = PA + PB

siendo PA y PB las presiones parciales de A y B. Tambin puede formularse como

donde i es la fraccin molar del componente i de la mezcla de gases

i = ni/ntot

Pi = i PT

Mezclas de gases


Se dispone de una mezcla sinttica de aire que contiene un 79 mol % de N2, un 17 mol

% de 16O2, y un 4.0 mol % de 18O2. La presin de la mezcla es de 0.75 atm. Calcular (a)

la presin parcial de 18O2 en la mezcla y (b) la densidad de la mezcla de gases, para

una temperatura de 0 C.

= 0.030atm P = x Ptotal = 0.040 x 0.75atm 18O2 18O2

18O2

= 4.0mol% 18O2

100 = 0.040 (a)

M = 0.79 x 28 g/mol N2 + 0.17 x 32 g /mol 16O2 + 0. x 36 g /mol

18O2 = 29 gr /mol aire

(b)

d = RT

M x P d =

29 g/mol x 0.75 atm

atm*L

mol*K 0.0821 x 273K

= 0.971 g/L

Mezclas de gases


Cuando se recoge un gas por burbujeo en agua, dicho gas arrastra vapor de agua, por lo

que la presin del mismo sera :

Ptot = PH2O + PH2

siendo PH2O la presin de vapor del agua lquida, que tiene un valor fijo a una temperatura

determinada.

Mezclas de gases. Gases hmedos

Gases Hmedos.


El acetileno se produce en el laboratorio de la siguiente forma:

CaC2(s) + 2H2O(l) C2H2(g) + Ca(OH)2(ac)

La presin de acetileno recogido sobre agua es de 738 torr para un volumen de 523 mL. A

la temperatura del gas (23 C) y la presin de vapor del agua es 21 torr. Cuantos gramos

de acetileno se han recogido?

0.943atm 0.523L x n

C2H2 =

atm*L

mol*K 0.0821 x 296K

= 0.203mol

0.203mol 26.04g C2H2

mol C2H2 = 0.529 g C2H2

P C2H2

= (738-21)torr = 717torr 717torr atm

760torr

= 0.943atm

Mezclas de gases. Gases hmedos


La efusin se define como el flujo de partculas de

gas a travs de orificios estrechos o poros. La

difusin es el proceso mediante el cual las molculas

de un gas se mezclan con la de otro u otros gases.

Ambos procesos dependen de la velocidad con la que

se mueven las molculas de los gases.

Ley de Graham

Para una temperatura y presin dadas, la

velocidad de efusin de un gas, en moles por unidad de

tiempo, es inversamente proporcional a la raz cuadrada

de su masa molar.

vB MA

vA MB =

Efusin de los gases. Ley de Graham


Calcular la relacin entre las velocidades de efusin del helio y del metano.

Calcular la relacin entre las velocidades de efusin del 235UF6 y del 238UF6.

M de CH4 = 16.04g/mol

M de He = 4.003g/mol

v

CH4

He

v =

16.04

4.003 = 2.002

M de 235UF6 = 349 g/mol

M de 238UF6 = 352 g/mol

v

238UF6

235UF6

v =

352

349 = 1.004

Efusin de los gases. Ley de Graham


Gases reales

El comportamiento de un gas no se ajusta estrictamente a lo establecido mediante la

ley de los gases ideales. Ello es debido a que los supuestos de un volumen cero para

las molculas de un gas y la inexistencia de fuerzas de atraccin entre las mismas.

Ambos efectos tienen consecuencias contrarias en el volumen molar del gas real.

Vm = volumen molar = V/n Vmo = RT/P (gas ideal)

(para 1 mol)

Un gas real presenta una cierta desviacin del comportamiento ideal, que se

traduce en que Vm Vmo. Esta desviacin suele aumentar cuando aumenta la

presin y/o disminuye la temperatura.


Gases reales

Se define el cociente PV/RT como el factor de compresibilidad, y representa el

distanciamiento del comportamiento ideal.

Variacin con la presin. A alta presin

Vm > Vmo, pues el volumen de las

partculas no puede despreciarse.

Para cada temperatura, el

comportamiento tambin es variable. A

temperaturas bajas las fuerzas

intermoleculares comienzan a ser

relevantes.


Gases reales

La ecuacin de los gases ideales se convierte en la de los gases reales introduciendo dos

factores correctores para los efectos antes mencionados. La ecuacin de Van der Waals

utiliza los factores a y b:

Para a y b iguales a cero, la ecuacin de Van der Waals se reduce a PV=nRT, es decir, la

ecuacin de los gases ideales es un caso particular de la de los gases reales. Los

factores a y b son tpicos de cada gas, y se encuentran tabulados.

(P + an2

V2 ) ( V nb ) = nRT

Presin corregida Volumen corregido

2

2

V

an

nbV

nRTP

Date post:	26-Sep-2015
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