Te conviene dominar: Cálculos con moles (4° año de la Escuela Secundaria (Ciclo Superior))
La etiqueta de una botella de ácido muriático o de lavandina no te dice cuántos moles hay por litro: te da un porcentaje en masa y una densidad. En cambio, la reacción que querés hacer pide moles. ¿Cómo se traducen los datos de la etiqueta al lenguaje del laboratorio, y cómo se toma de ahí la cantidad justa para preparar una solución?
Molaridad: la concentración de referencia
Cinco gramos de sal de mesa y cinco gramos de azúcar tienen la misma masa, pero no la misma cantidad de partículas, porque sus masas molares son distintas. Por eso en química se concentra "por moles", no por gramos.
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En el laboratorio se desea preparar una disolución acuosa disolviendo exactamente $4,00\,\text{g}$ de hidróxido de sodio puro, $\mathrm{NaOH}$, en agua desionizada hasta…
En el laboratorio se desea preparar una disolución acuosa disolviendo exactamente $4,00\,\text{g}$ de hidróxido de sodio puro, $\mathrm{NaOH}$, en agua desionizada hasta alcanzar un volumen total de $250,0\,\text{mL}$ a $20\,^{\circ}\text{C}$. Datos de masas atómicas: $M(\mathrm{Na}) = 22,99\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{O}) = 16,00\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Calculá la concentración molar (molaridad) de la disolución resultante.
b) Indicá razonadamente qué material de vidrio aforado de precisión debe emplearse obligatoriamente para fijar dicho volumen final.
La molaridad no es la única forma de decir "cuánto soluto hay". Según el contexto se usan otras, y hay que saber pasar de una a otra.
La molaridad depende del volumen, y el volumen cambia con la temperatura. La molalidad y la fracción molar usan solo masas o cantidades de sustancia, así que no cambian al calentar.
Para pasar de una unidad a otra, el puente es la densidad de la solución, $d = m_{\text{solución}}/V_{\text{solución}}$. Une masa con volumen. La densidad es una propiedad de la solución y cambia con la concentración. No es la del agua.
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Una botella comercial de ácido nítrico concentrado, $\mathrm{HNO}3$, indica en su etiqueta una riqueza en masa del $65,0\,\%$ y una densidad de…
Una botella comercial de ácido nítrico concentrado, $\mathrm{HNO}_3$, indica en su etiqueta una riqueza en masa del $65,0\,\%$ y una densidad de $1,40\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$ a $20\,^{\circ}\text{C}$. Datos de masas atómicas: $M(\mathrm{H}) = 1,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{N}) = 14,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{O}) = 16,00\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Calculá la masa de ácido nítrico puro presente en $1,00\,\text{L}$ de este reactivo comercial.
b) Determiná la concentración molar de dicha disolución comercial.
Se desea preparar $500,0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido sulfúrico, $\mathrm{H}2\mathrm{SO}4$, $0,250\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ a partir de un ácido…
Se desea preparar $500,0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido sulfúrico, $\mathrm{H}_2\mathrm{SO}_4$, $0,250\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ a partir de un ácido comercial del $96,0\,\%$ de riqueza en masa y densidad $1,84\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$. Masas atómicas: $M(\mathrm{H}) = 1,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{S}) = 32,06\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{O}) = 16,00\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Calculá el volumen de ácido comercial concentrado que se debe tomar.
b) Exponé la secuencia experimental de adición de los reactivos justificando detalladamente la norma de seguridad específica para evitar accidentes térmicos graves.
Si a un vaso de jugo concentrado le agregás agua, la cantidad de jugo (de soluto) no cambia, pero el sabor se atenúa. ¿Qué relación exacta hay entre la concentración y el volumen final?
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Se dispone en el laboratorio de una solución concentrada de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración $2,00\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Se requiere…
Se dispone en el laboratorio de una solución concentrada de ácido clorhídrico, $\mathrm{HCl}$, de concentración $2,00\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Se requiere preparar exactamente $500,0\,\text{mL}$ de una solución diluida de $\mathrm{HCl}$ cuya concentración sea $0,050\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$.
a) Calculá el volumen de solución concentrada que debe medirse para llevar a cabo dicha dilución.
b) Desde el punto de vista de las buenas prácticas y la seguridad en el laboratorio, explicá qué instrumento auxiliar debe acoplarse indispensablemente a la pipeta para tomar la alícuota y qué práctica de riesgo queda terminantemente prohibida.
En el laboratorio se procede a realizar la dilución controlada de una disolución madre de sulfato de cobre(II), $\mathrm{CuSO}4$, cuya concentración inicial es…
En el laboratorio se procede a realizar la dilución controlada de una disolución madre de sulfato de cobre(II), $\mathrm{CuSO}_4$, cuya concentración inicial es $0,800\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Con una pipeta aforada se transfiere una alícuota de $20,0\,\text{mL}$ a un matraz aforado de $250,0\,\text{mL}$, enrasando posteriormente con agua desionizada a $20\,^{\circ}\text{C}$. El instrumental utilizado y el detalle del enrase final se ilustran a continuación:
a) Calculá la concentración molar final de la disolución diluida obtenida en el matraz aforado.
b) Una alumna añade agua hasta que el fondo del menisco queda por encima del aforo al observarlo a la altura de la marca. Explicá si la concentración real será mayor o menor que la calculada, y por qué retirar parte de esa disolución hasta el aforo no corrige su concentración.
Si mezclás dos soluciones del mismo soluto que no reaccionan entre sí, los moles se suman y, con volúmenes aditivos, los volúmenes también.
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Se necesita preparar exactamente $1,000\,\text{L}$ de una solución acuosa de cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$, con una concentración final de…
Se necesita preparar exactamente $1,000\,\text{L}$ de una solución acuosa de cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$, con una concentración final de $0,750\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ a $20\,^{\circ}\text{C}$. En el laboratorio se dispone de tres fuentes del reactivo: solución 1 ($200,0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaCl}$ $0,400\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$), solución 2 ($300,0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaCl}$ al $4,50\,\%$ en masa con densidad $1,03\,\text{g}\cdot\text{cm}^{-3}$) y un frasco de $\mathrm{NaCl}$ sólido anhidro del $98,0\,\%$ de pureza en masa. Masas atómicas: $M(\mathrm{Na}) = 22,99\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{Cl}) = 35,45\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Calculá la cantidad de sustancia (moles) de $\mathrm{NaCl}$ aportada en conjunto por las soluciones 1 y 2.
b) Calculá la masa de reactivo sólido impuro que debe pesarse para completar los moles necesarios, introduciéndola en el matraz aforado de $1,000\,\text{L}$ antes de enrasar finalmente con agua desionizada.
Cuando disolvés un compuesto iónico en agua, se disocia en iones (teoría de Arrhenius). La molaridad que se rotula en el frasco es la del compuesto, pero la que importa para reaccionar o precipitar suele ser la de cada ion.
Si mezclás soluciones con el mismo ion, los moles de ese ion se suman, igual que antes.
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Se mezclan en el laboratorio dos soluciones acuosas de cloruro de potasio, $\mathrm{KCl}$, sin que tenga lugar reacción química alguna. La solución A tiene un volumen de…
Se mezclan en el laboratorio dos soluciones acuosas de cloruro de potasio, $\mathrm{KCl}$, sin que tenga lugar reacción química alguna. La solución A tiene un volumen de $150,0\,\text{mL}$ y una concentración de $0,500\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. La solución B tiene un volumen de $350,0\,\text{mL}$ y una concentración de $1,200\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Asumí comportamiento ideal con volúmenes estrictamente aditivos a $20\,^{\circ}\text{C}$.
a) Calculá la concentración molar final de iones cloruro, $\mathrm{Cl}^-$, en la mezcla resultante.
b) Calculá el volumen de agua pura que habría que evaporar de la mezcla resultante para que la concentración final de $\mathrm{KCl}$ alcance exactamente $1,500\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. En b), compará los volúmenes a $20\,^{\circ}\text{C}$ y suponé que solo se pierde agua, sin precipitación ni cambio de la aditividad de volúmenes.
Si miraste el cuello de un matraz con agua, habrás visto que la superficie no es plana: se curva hacia arriba en las paredes. ¿Con qué punto de esa curva hay que coincidir con la marca?
Una solución de concentración dudosa (como la de NaOH) se normaliza: se titula contra un patrón primario y, con el volumen gastado y la estequiometría, se obtiene su concentración real.
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En un laboratorio de control de calidad se normaliza la preparación de $100,0\,\text{mL}$ de una solución patrón de carbonato de sodio anhidro primario,…
En un laboratorio de control de calidad se normaliza la preparación de $100,0\,\text{mL}$ de una solución patrón de carbonato de sodio anhidro primario, $\mathrm{Na}_2\mathrm{CO}_3$, a concentración nominal de $0,0500\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ a $20\,^{\circ}\text{C}$. Se dispone de una balanza analítica cuya incertidumbre es $\pm 0,001\,\text{g}$ y un matraz aforado de clase A de $100,0\,\text{mL}$ cuya tolerancia de calibración es $\pm 0,10\,\text{mL}$. Masas atómicas: $M(\mathrm{Na}) = 22,99\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{C}) = 12,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{O}) = 16,00\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Calculá la masa teórica de soluto que debe pesarse para obtener exactamente la concentración fijada.
b) Determiná la incertidumbre relativa total en la molaridad propagando las incertidumbres máximas absolutas de pesada y volumen, y expresá el resultado final con su intervalo de incertidumbre: $M \pm \Delta M$. Para esta estimación usá la aproximación conservadora $\Delta M/M=\Delta m/m+\Delta V/V$ y considerá exacta la masa molar.
Un técnico intenta preparar $500,0\,\text{mL}$ de disolución patrón de $\mathrm{NaOH}$ $0,1000\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ pesando $2,000\,\text{g}$ de lentejas…
Un técnico intenta preparar $500,0\,\text{mL}$ de disolución patrón de $\mathrm{NaOH}$ $0,1000\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ pesando $2,000\,\text{g}$ de lentejas comerciales y enrasando con agua desionizada en matraz aforado. Al valorar posteriormente dicha disolución frente a hidrogenoftalato de potasio (patrón primario), se determina que la molaridad real obtenida es únicamente $0,0885\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Masas atómicas: $M(\mathrm{Na}) = 22,99\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{O}) = 16,00\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$; $M(\mathrm{H}) = 1,01\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$.
a) Asumiendo que el aforo se realizó exactamente a $500,0\,\text{mL}$, suponé que las impurezas presentes en este lote son agua y sustancias que no reaccionan en la valoración; determiná el porcentaje de pureza real en $\mathrm{NaOH}$ de las lentejas comerciales utilizadas.
b) Explicá razonadamente dos causas químicas y experimentales por las cuales el $\mathrm{NaOH}$ sólido nunca puede considerarse un patrón primario directo y justificá por qué es preceptivo llevar a cabo una volumetría de estandarización.
Vuelvo al principio: para tomar de una botella comercial la cantidad exacta de soluto, primero calculás su molaridad con la riqueza y la densidad de la etiqueta ($c = 1000\cdot d\cdot(\%/100)/M$). Después, con $V_1 = n/c$ o con $c_1V_1 = c_2V_2$, sacás el volumen a medir con la pipeta, lo pasás al matraz y enrasás.
¡A practicar! 3 ejercicios de nivel medio en este apartado