Dilución, mezcla de soluciones y calores de disolución
En el laboratorio de la escuela, la profe les muestra un frasco de ácido sulfúrico concentrado y les avisa: «Para diluirlo, siempre el ácido sobre el agua, nunca al revés». Valentina pregunta: «¿Y si lo hago al revés? Al final es todo lo mismo, ¿no?». No es lo mismo. En esta página aprendés a calcular cuánto ácido y cuánta agua necesitás, y por qué el orden importa tanto.
Qué es una dilución
El ácido sulfúrico ($H_2SO_4$) es uno de los productos químicos más fabricados del mundo. Se usa en baterías de auto, fertilizantes, detergentes y refinerías. Casi nunca se lo usa tal como sale de la planta: hay que diluirlo hasta la concentración que se necesita.
Pensalo con el mate. Si le agregás más agua caliente a un mate ya cargado, la cantidad de yerba es la misma, pero el sabor queda más aguado. Con la solución pasa igual: los moles de soluto se reparten en más volumen.
En el laboratorio de la escuela, Valentina tiene una solución concentrada de ácido sulfúrico y le agrega agua hasta obtener una solución menos concentrada. Explicá con…
En el laboratorio de la escuela, Valentina tiene una solución concentrada de ácido sulfúrico y le agrega agua hasta obtener una solución menos concentrada. Explicá con tus palabras qué es una dilución y indicá qué magnitud permanece constante y cuál disminuye cuando se agrega solvente.
La fórmula de dilución
La molaridad es $M = \dfrac{n}{V}$, así que los moles de soluto son $n = M \cdot V$. Como al diluir los moles no cambian, antes y después valen lo mismo:
La fórmula dice «moles antes = moles después». Por eso funciona solo cuando se agrega solvente puro.
En el laboratorio se mide el volumen de la concentrada con pipeta y se lo pasa a un matraz aforado. Se agrega agua y se enrasa, es decir, se completa hasta la marca del cuello del matraz.
Una solución de ácido sulfúrico tiene una concentración de $2\,\text{M}$. Se toman $50\,\text{mL}$ de esa solución y se los lleva con agua a un volumen final de…
Una solución de ácido sulfúrico tiene una concentración de $2\,\text{M}$. Se toman $50\,\text{mL}$ de esa solución y se los lleva con agua a un volumen final de $100\,\text{mL}$. Calculá la concentración molar de la solución final.
Thiago necesita preparar $500\,\text{mL}$ de solución de ácido sulfúrico $0{,}5\,\text{M}$ a partir de una solución concentrada $5\,\text{M}$. Calculá qué volumen de la…
Thiago necesita preparar $500\,\text{mL}$ de solución de ácido sulfúrico $0{,}5\,\text{M}$ a partir de una solución concentrada $5\,\text{M}$. Calculá qué volumen de la solución concentrada debe medir y describí brevemente cómo procedería para preparar la solución de manera segura, teniendo en cuenta el orden en que se mezclan el ácido y el agua.
Mezcla de soluciones
A veces no se agrega agua pura, sino otra solución del mismo soluto. En ese caso no sirve $M_1 V_1 = M_2 V_2$, porque los moles sí cambian: se suman los de las dos soluciones.
La mezcla es un promedio ponderado por el volumen. Por eso el resultado queda siempre entre las dos concentraciones.
Agregar agua pura es un caso particular: el agua tiene concentración $0\,\text{M}$, y la fórmula de mezcla da lo mismo que $M_1 V_1 = M_2 V_2$.
Se mezclan $200\,\text{mL}$ de una solución de ácido sulfúrico $1\,\text{M}$ con $300\,\text{mL}$ de otra solución del mismo ácido $2\,\text{M}$. Suponiendo que los…
Se mezclan $200\,\text{mL}$ de una solución de ácido sulfúrico $1\,\text{M}$ con $300\,\text{mL}$ de otra solución del mismo ácido $2\,\text{M}$. Suponiendo que los volúmenes son aditivos, calculá la concentración molar de la solución resultante y explicá por qué el valor obtenido queda entre las concentraciones de las dos soluciones originales.
Calor de disolución y de dilución
Si alguna vez diluiste ácido sulfúrico concentrado (o viste a alguien hacerlo), sabés que el recipiente se calienta mucho. Es un fenómeno medible: el sistema libera energía en forma de calor.
El ácido sulfúrico concentrado tiene una dilución fuertemente exotérmica. Las moléculas de agua se unen con fuerza a las de ácido y a sus iones, y esa unión libera energía. Otros solutos se comportan al revés: al disolver nitrato de amonio, como en las bolsas frías de primeros auxilios, el recipiente se enfría.
Por qué «el ácido sobre el agua»
Imaginá que echás agua sobre ácido concentrado. El agua cae en la superficie y se calienta de golpe. Como el agua es poco densa, queda arriba, en una capa fina que puede hervir. Hierve de forma violenta y salpica ácido caliente.
Si en cambio vertés el ácido sobre una gran cantidad de agua, con agitación, el calor se reparte en mucho líquido. La temperatura sube de forma moderada y el ácido se mezcla bien.
En la industria pasa igual, pero en grande. En el método de contacto, el $SO_2$ se oxida con oxígeno del aire a $SO_3$ sobre un catalizador de óxido de vanadio ($V_2O_5$). Después, el $SO_3$ se absorbe en ácido sulfúrico concentrado y luego se ajusta la concentración agregando agua en forma controlada. Los equipos llevan refrigeración: si no se evacuara el calor, la solución se sobrecalentaría. Hay que mantener la temperatura bajo control tanto por seguridad como porque se corroen los materiales.
Volvé al principio. Valentina preguntaba si al agregar al revés daba lo mismo. Química y moles sí dan lo mismo (la concentración final es igual), pero el calor se libera de golpe en una capa pequeña si se agrega agua sobre ácido, y eso es lo peligroso.
Al disolver ácido sulfúrico concentrado en agua, el recipiente se calienta de manera notable. Indicá si el proceso de disolución es exotérmico o endotérmico, y justificá…
Al disolver ácido sulfúrico concentrado en agua, el recipiente se calienta de manera notable. Indicá si el proceso de disolución es exotérmico o endotérmico, y justificá tu respuesta a partir de lo que se observa en el recipiente.
En una planta que produce ácido sulfúrico por el método de contacto, el $SO_3$ se absorbe en ácido sulfúrico concentrado y luego se ajusta la concentración agregando…
En una planta que produce ácido sulfúrico por el método de contacto, el $SO_3$ se absorbe en ácido sulfúrico concentrado y luego se ajusta la concentración agregando agua. Explicá por qué en esta etapa se necesita refrigerar el sistema, relacionándolo con el calor de dilución, y indicá qué podría ocurrir si se agregara agua de golpe a un ácido muy concentrado.
Camila mezcla $150\,\text{mL}$ de ácido sulfúrico $3\,\text{M}$ con $250\,\text{mL}$ de agua y, por separado, otra persona mezcla los mismos $150\,\text{mL}$ de ácido…
Camila mezcla $150\,\text{mL}$ de ácido sulfúrico $3\,\text{M}$ con $250\,\text{mL}$ de agua y, por separado, otra persona mezcla los mismos $150\,\text{mL}$ de ácido con $250\,\text{mL}$ de una solución del mismo ácido $0{,}2\,\text{M}$. Calculá la concentración final en cada caso, compará los resultados y analizá en cuál de los dos casos esperarías un mayor aumento de temperatura, justificando con el concepto de calor de dilución.
Del frasco comercial a la molaridad
Los ácidos concentrados no vienen rotulados en molaridad, sino en % m/m y con su densidad. Para poder diluirlos hay que calcular antes su molaridad.
Si preferís no memorizar la fórmula, pensá en un litro de solución: su masa es $d \cdot 1000\,\text{g}$, la parte de ácido es esa masa por el porcentaje, y dividiendo por la masa molar sale el número de moles.
Una industria dispone de $2\,\text{L}$ de solución de ácido sulfúrico al $98\,\%\ m/m$ con una densidad de $1{,}84\,\text{g/mL}$. Se la quiere diluir para obtener una…
Una industria dispone de $2\,\text{L}$ de solución de ácido sulfúrico al $98\,\%\ m/m$ con una densidad de $1{,}84\,\text{g/mL}$. Se la quiere diluir para obtener una solución $1\,\text{M}$. Considerá la masa molar del $H_2SO_4$ como $98\,\text{g/mol}$. Calculá la molaridad de la solución original, el volumen final de solución $1\,\text{M}$ que se puede obtener y el volumen de agua que habría que agregar aproximadamente, indicando qué suposición hacés sobre los volúmenes.