ESTÁNDAR
Entorno físico (Procesos químicos)
- Relaciono la estructura de las moléculas orgánicas e inorgánicas con sus propiedades físicas y químicas y su capacidad de cambio químico.
Ciencia, tecnología y sociedad
- Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía.
- Identifico aplicaciones de diferentes modelos biológicos, químicos y físicos en procesos industriales y en el desarrollo tecnológico; analizo críticamente las implicaciones de sus usos.
COMPONENTE
- Entorno físico (Procesos químicos)
- Ciencia, tecnología y sociedad
INDICADOR DE DESEMPEÑO
De conocimiento:
- Verifico el efecto de presión y temperatura en los cambios químicos.
De desempeño:
- Explico los cambios químicos desde diferentes modelos.
METODOLOGÍA/ SECUENCIA DIDÁCTICA
- Unidad didáctica
- Solubilidad, Cambios químicos, Cambios y trasformación de la energía.
- Propósito
- Establecer relaciones y diferencias en las soluciones y en la forma en que se expresan las unidades de concentración más usadas en el campo de la química.
- Desarrollo cognitivo instruccional
¿Qué es una solución?
Una solución es un sistema homogéneo, en el cual las partículas dispersas son iones, moléculas o grupos muy pequeños de ellas. Las soluciones se forman por combinación entre líquidos, gases y sólidos.
Los componentes de una solución se llaman soluto y solvente:
- Soluto: (sto) es la sustancia que se encuentra en menor proporción.
- Solvente: (ste) es la sustancia que se encuentra en mayor proporción. Coincide con el estado de agregación de la solución.
La masa de la solución es entonces:
Masa de la sln = masa del sto + masa del ste
Tipos de soluciones
Las soluciones pueden ser diluidas o concentradas:
Diluidas: Son aquellas en las que hay muy poca cantidad de soluto disuelto, el solvente puede seguir admitiendo más soluto. Un ejemplo es la cantidad de minerales en el agua de mesa: tiene una cantidad muy baja que nos permite asimilarlos correctamente.
Concentradas: Son aquellas en las que hay bastante cantidad de soluto disuelto, pero el solvente todavía puede seguir admitiendo más soluto. Un ejemplo podría ser el agua de mar: contiene una gran cantidad de sal disuelta, pero todavía sería posible disolver más cantidad de sal.
En función a la cantidad de soluto disuelto, las soluciones se pueden clasificar en saturadas, insaturadas o sobresaturadas:
Saturadas: Son aquellas en las que no se puede seguir admitiendo más soluto, pues el solvente ya no lo puede disolver. Si la temperatura aumenta, la capacidad para admitir más soluto aumenta. Lo podemos asociar con el aforo de un cine: si una sala tiene capacidad para 100 personas, este es el máximo número de personas que podrán entrar. De igual forma, una solución saturada es aquella en la que se ha disuelto la máxima cantidad de gramos de soluto que el solvente puede acoger.
Sobresaturadas: Son aquellas en las que se ha añadido más soluto del que puede ser disuelto en el solvente, por tal motivo, se observa que una parte del soluto va al fondo del recipiente. La solución que observamos está saturada (contiene la máxima cantidad de soluto disuelto), y el exceso se va al fondo del recipiente. La capacidad de disolver el soluto en exceso aumenta con la temperatura: si calentamos la solución, es posible disolver todo el soluto.
El agua es llamada frecuentemente el solvente universal, por su capacidad para formar soluciones con gran cantidad de compuestos.
Se tendrá una solución insaturada o diluida cuando hemos disuelto una cantidad de soluto menor a la cantidad máxima que podemos disolver. Ten presente que la cantidad máxima de soluto que podemos disolver en un determinado solvente es un dato que nos proporcionarán.
Concentración de las disoluciones
De acuerdo con la cantidad de soluto presente, tendremos soluciones diluidas, saturadas y sobresaturadas. Si bien podemos diferenciar una solución concentrada de una diluida, no podemos determinar exactamente qué tan concentrada o diluida está.
A continuación, veremos cómo se cuantifica la cantidad de soluto presente en una solución, a través del concepto concentración.
Concentración: la concentración de una solución expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de solvente o de solución. En términos cuantitativos, esto es la relación o proporción matemática entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente, entre soluto y solución. Esta relación suele expresarse en porcentajes.
Unidades de concentración:
Porcentajes referido a la masa: relaciona la masa del soluto, en gramos, presente en una cantidad dada de solución. Teniendo en cuenta que el resultado se expresa como porcentaje de soluto, la cantidad de solución suele tomarse como 100 g.
La siguiente expresión resume estos conceptos.
Porcentaje referido al volumen: se refiere al volumen de soluto, en ml. presente en cada 100 ml. de solución. La expresión que se utiliza para calcularlo es:
Porcentaje masa-volumen: representa la masa de soluto (en g) por cada 100 ml. de solución. Se puede calcular según la expresión:
La concentración de una disolución es la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente, o en una cantidad dada de disolución. (Para este análisis se supondrá que el soluto es un líquido o un sólido y el disolvente es un líquido.) La concentración de una disolución se puede expresar en muchas formas. Aquí consideraremos una de las unidades más utilizadas en química, la molaridad (M), o concentración molar, que es el número de moles de soluto por litro de disolución.
La molaridad se define como
La ecuación también se puede expresar algebraicamente como
Donde n denota el número de moles de soluto y V es el volumen de la disolución en litros.
Una disolución de glucosa (C6H12O6) 1.46 molar, escrita como 1.46 M, contiene 1.46 moles del soluto (C6H12O6) en un litro de disolución. Por supuesto, no siempre trabajamos con volúmenes de disolución de 1 L. Por tanto, una disolución de 500 mL que contenga 0.730 moles de C6H12O6 también tiene una concentración de 1.46 M:
Observe que la concentración, al igual que la densidad, es una propiedad intensiva, de manera que su valor no depende de la cantidad de la disolución.
Es importante recordar que la molaridad se refiere sólo a la cantidad de soluto originalmente disuelto en agua y no toma en cuenta los procesos subsecuentes, como la disociación de una sal o la ionización de un ácido. Considere lo que sucede cuando una muestra de cloruro de potasio (KCl) se disuelve en suficiente agua para formar una disolución 1 M:
Puesto que el KCl es un electrólito fuerte, se disocia por completo en la disolución. Entonces, una disolución de KCl 1 M contiene 1 mol de iones K+ y 1 mol de iones Cl–; no hay unidades de KCl presentes. La concentración de los iones puede expresarse como [K+] = 1 M y [Cl–] = 1 M, donde los corchetes [ ] indican que la concentración está expresada en molaridad.
En forma similar, en una disolución de nitrato de bario [Ba(NO3)2] 1 M
Tenemos que,
Pero de ninguna manera hay unidades de Ba(NO3)2.
El procedimiento para preparar una disolución de molaridad conocida es el siguiente:
Primero, el soluto se pesa con exactitud y se transfiere a un matraz volumétrico por medio de un embudo. A continuación, se añade agua al matraz y se agita suavemente para disolver el sólido. Una vez que todo el sólido se ha disuelto, se añade más agua para llevar el nivel de la disolución exactamente hasta la marca de aforo. Una vez que se conoce el volumen de la disolución en el matraz y la cantidad del compuesto (el número de moles) disuelto, se puede calcular la molaridad de la disolución mediante la ecuación. Observe que en este procedimiento no es necesario conocer la cantidad de agua agregada, en tanto se conozca el volumen final de la disolución.
- Desarrollo Metodológico
Con el fin de afianzar los procesos conceptuales se le recomienda observar los siguientes vídeos accediendo a los siguientes enlaces:
Actividad
- ¿Cuántos gramos de dicromato de potasio (K2Cr2O7) se requieren para preparar 250 mL de una disolución cuya concentración sea de 2.16 M?
Estrategia: ¿Cuántos moles de K2Cr2O7 contiene 1 L (o 1000mL) de la disolución de K2Cr2O7 2.16 M? ¿250 mL de la disolución? ¿Cómo convertiría los moles en gramos?
Solución: Primero se determina el número de moles de K2Cr2O7 que hay en 250 mL o 0,250 L de la disolución 2.16 M. Al reordenar la ecuación principal resulta,
Moles de soluto = molaridad x litros de disolución
Por tanto,
La masa molar del K2Cr2O7 es de 294.2 g, por lo que escribimos
- Describa cómo prepararía 500 mL de una disolución de H2SO4 2 M, a partir de una disolución concentrada de H2SO4 8 M.
Estrategia: Como la concentración de la disolución final es menor que la de la disolución original, este es un proceso de dilución. Tenga presente que, en la dilución, la concentración de la disolución disminuye, pero el número de moles de soluto sigue siendo el mismo.
Solución: Preparamos el cálculo mediante la tabulación de los datos:
Mi = 8 M
Vi = ?
Mf = 2 M
Vf = 500 mL
Tenemos en cuenta la fórmula para las diluciones:
Molaridad inicial x Volumen inicial = Molaridad final x Volumen final
Mi x Vi = Mf x Vf
Por tanto,
Vi = (500 mL x 2 M) / 8 M
Vi = 125 mL
Ingrese en el siguiente simulador y analice las características de la concentración y tipo de solución de algunos compuestos:
- ACTIVIDAD
- Describa cómo prepararía 250 mL de una disolución de NaNO3 0.707 M.
- El vinagre es una disolución acuosa que se forma por la dilución entre ácido acético (CH3COOH) y agua (H2O). Si se toman 35,4 mL de CH3COOH puro y se mezclan en 250 mL de H2O, ¿Cuál es la concentración porcentual volumen - volumen (%v/v) del CH3COOH en H2O?
- ¿Cuál es la molaridad de 85.0 mL de una disolución de etanol (C2H5OH) que contiene 1.77 g de esta sustancia?
- ¿Cómo prepararía 2.00 × 102 mL de una disolución de NaOH 0.866 M, a partir de una disolución stock de 5.07 M?
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