Soluciones y preparación · Química 5.° de secundaria

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.

Practica★☆☆

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) Calcula la concentración molar (molaridad) de la disolución resultante.
b) Indica razonadamente qué material de vidrio aforado de precisión debe emplearse obligatoriamente para fijar dicho volumen final.

Resolver

Otras unidades y pasajes entre ellas

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.

Unidades de concentración

% m/m (porcentaje en masa, % m): gramos de soluto cada $100\ \text{g}$ de solución. Es la pureza (o riqueza) de los reactivos comerciales.
% m/v: gramos de soluto cada $100\ \text{mL}$ de solución.
% v/v (porcentaje en volumen, % v): mililitros de soluto cada $100\ \text{mL}$ de solución.
g/L, mg/L y ppm: masa de soluto por litro de solución. En soluciones acuosas diluidas, $1\ \text{mg/L} \approx 1\ \text{ppm}$ (así se expresan muchos parámetros de calidad del agua potable y la contaminación de ríos como el Choqueyapu).
Molalidad $m = n_{\text{soluto}}/m_{\text{solvente}}$, en $\text{mol}\cdot\text{kg}^{-1}$. Usa la masa del solvente, no el volumen de la solución.
Fracción molar $x_i = n_i/n_{\text{total}}$. No tiene unidades y $\sum x_i = 1$.
Normalidad $N$: equivalentes de soluto por litro de solución, en $\text{eq}\cdot\text{L}^{-1}$. Se relaciona con la molaridad así: $N = c\cdot z$, donde $z$ es el número de $\mathrm{H^+}$, $\mathrm{OH^-}$ o cargas que aporta cada unidad de soluto. Un equivalente es la cantidad de soluto que aporta un mol de $\mathrm{H^+}$, de $\mathrm{OH^-}$ o de carga.

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.

Una solución con 10,0 g de NaCl y 90,0 g de agua (densidad 1,07 g/mL)

$M(\mathrm{NaCl}) = 58{,}44\ \text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, entonces $n_{\text{NaCl}} = 10{,}0/58{,}44 = 0{,}171\ \text{mol}$. La masa de solución es $100{,}0\ \text{g}$, así que es $10{,}0\ \%\ \text{m/m}$.

Molalidad: $m = \dfrac{0{,}171}{0{,}0900\ \text{kg}} = 1{,}90\ \text{mol}\cdot\text{kg}^{-1}$.

Fracción molar: $n_{\text{agua}} = 90{,}0/18{,}02 = 4{,}99\ \text{mol}$, entonces $x_{\text{NaCl}} = \dfrac{0{,}171}{0{,}171 + 4{,}99} = 0{,}0331$.

Molaridad: primero el volumen de $100{,}0\ \text{g}$ de solución, $V = m/d = 100{,}0/1{,}07 = 93{,}5\ \text{mL}$. Después $c = 0{,}171/0{,}0935 = 1{,}83\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Fíjate que $c$ y $m$ no coinciden: el volumen de la solución no es el del solvente.

Practica★☆☆

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) Calcula la masa de ácido nítrico puro presente en $1,00\,\text{L}$ de este reactivo comercial.
b) Determina la concentración molar de dicha disolución comercial.

Resolver

Practica★★☆

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) Calcula el volumen de ácido comercial concentrado que se debe tomar.
b) Expón la secuencia experimental de adición de los reactivos justificando detalladamente la norma de seguridad específica para evitar accidentes térmicos graves.

Resolver

Dilución: diluir sin cambiar los moles

Si a un vaso de refresco concentrado le agregas 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?

Practica★☆☆

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) Calcula 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, explica qué instrumento auxiliar debe acoplarse indispensablemente a la pipeta para tomar la alícuota y qué práctica de riesgo queda terminantemente prohibida.

Resolver

Practica★★☆

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) Calcula 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. Explica 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.

Resolver

Mezcla de soluciones

Si mezclas dos soluciones del mismo soluto que no reaccionan entre sí, los moles se suman y, con volúmenes aditivos, los volúmenes también.

Practica★★★

Se precisa preparar exactamente $1,000\,\text{L}$ de una disolución acuosa de cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$, con una concentración final de…

Se precisa preparar exactamente $1,000\,\text{L}$ de una disolución 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: disolución 1 ($200,0\,\text{mL}$ de $\mathrm{NaCl}$ $0,400\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$), disolución 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) Calcula la cantidad de sustancia (moles) de $\mathrm{NaCl}$ aportada conjuntamente por las disoluciones 1 y 2.
b) Calcula 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.

Resolver

Electrolitos: qué hay realmente disuelto

Cuando disuelves 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.

Estequiometría de la disociación

Un electrolito fuerte se disocia por completo. Los coeficientes de la ecuación de disociación dan la concentración de cada ion:

Solución	Disociación	Concentración de iones
NaCl $0{,}10\ \text{M}$	$\mathrm{NaCl} \to \mathrm{Na^+} + \mathrm{Cl^-}$	$[\mathrm{Na^+}] = [\mathrm{Cl^-}] = 0{,}10\ \text{M}$
Na₂SO₄ $0{,}10\ \text{M}$	$\mathrm{Na_2SO_4} \to 2\,\mathrm{Na^+} + \mathrm{SO_4^{2-}}$	$[\mathrm{Na^+}] = 0{,}20\ \text{M}$; $[\mathrm{SO_4^{2-}}] = 0{,}10\ \text{M}$
Al₂(SO₄)₃ $0{,}050\ \text{M}$	$\mathrm{Al_2(SO_4)_3} \to 2\,\mathrm{Al^{3+}} + 3\,\mathrm{SO_4^{2-}}$	$[\mathrm{Al^{3+}}] = 0{,}10\ \text{M}$; $[\mathrm{SO_4^{2-}}] = 0{,}15\ \text{M}$

¿Por qué? Por cada mol de compuesto que se disuelve aparecen tantos moles de cada ion como indica su coeficiente.

Si mezclas soluciones con el mismo ion, los moles de ese ion se suman, igual que antes.

Practica★★☆

Se mezclan en el laboratorio dos disoluciones acuosas de cloruro de potasio, $\mathrm{KCl}$, sin que tenga lugar reacción química alguna. La disolución A tiene un…

Se mezclan en el laboratorio dos disoluciones acuosas de cloruro de potasio, $\mathrm{KCl}$, sin que tenga lugar reacción química alguna. La disolución A tiene un volumen de $150,0\,\text{mL}$ y una concentración de $0,500\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. La disolución B tiene un volumen de $350,0\,\text{mL}$ y una concentración de $1,200\,\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Asume comportamiento ideal con volúmenes estrictamente aditivos a $20\,^{\circ}\text{C}$.

a) Calcula la concentración molar final de iones cloruro, $\mathrm{Cl}^-$, en la mezcla resultante.
b) Calcula 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), compara los volúmenes a $20\,^{\circ}\text{C}$ y supón que solo se pierde agua, sin precipitación ni cambio de la aditividad de volúmenes.

Resolver

Preparación correcta en el laboratorio

Si miraste el cuello de un matraz con agua en el laboratorio, 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 valora: se titula contra un patrón primario y, con el volumen gastado y la estequiometría, se obtiene su concentración real.

Vuelve al principio: para tomar de una botella comercial la cantidad exacta de soluto, primero calculas su molaridad con la pureza y la densidad de la etiqueta ($c = 1000\cdot d\cdot(\%/100)/M$). Después, con $V_1 = n/c$ o con $c_1V_1 = c_2V_2$, sacas el volumen a medir con la pipeta, lo pasas al matraz y enrasas.

¡A practicar! 3 ejercicios de nivel medio en este apartado

★★☆ En el laboratorio se procede a realizar la dilución controlada de una disolución madre de…★★☆ Se mezclan en el laboratorio dos disoluciones acuosas de cloruro de potasio,…★★☆ Se desea preparar $500,0\,\text{mL}$ de una disolución acuosa de ácido sulfúrico,…

¡A practicar! 1 ejercicios de nivel difícil en este apartado

★★★ Se precisa preparar exactamente $1,000\,\text{L}$ de una disolución acuosa de cloruro de…

Resumen

En resumen

La molaridad $c = n/V$ usa el volumen de la solución completa, no el del solvente agregado. La normalidad $N$ (equivalentes por litro) se relaciona con la molaridad así: $N = c\cdot z$, donde $z$ es el número de $\mathrm{H^+}$, $\mathrm{OH^-}$ o cargas que aporta cada unidad de soluto (por ejemplo, $\mathrm{H_2SO_4}$ $0{,}50\ \text{M}$ es $1{,}0\ \text{N}$).
Otras unidades: % m/m, % m/v, g/L, mg/L y ppm, molalidad y fracción molar. La densidad es el puente entre masa y volumen, y la molalidad y la fracción molar no cambian con la temperatura.
Un reactivo comercial se describe con su pureza y su densidad: $c = 1000\cdot d\cdot(\%/100)/M$.
La dilución conserva los moles: $c_1V_1 = c_2V_2$. En una mezcla se suman los moles y, con volúmenes aditivos, los volúmenes.
Un electrolito fuerte se disocia por completo: la concentración de cada ion sale de los coeficientes de la ecuación de disociación.
En el laboratorio: disolver en el vaso, trasvasar al matraz aforado, enrasar con la base del menisco en la marca y el ojo a su altura. Si te pasas, se empieza de nuevo. El ácido se agrega siempre sobre el agua.