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Reacciones químicas · Gases y disoluciones

Disoluciones y sus propiedades

En una mañana de invierno en Chicago, los camiones esparcen road salt sobre las calles heladas. ¿Por qué funciona la sal, si no hace calor? En un laboratorio de química lo que importa casi siempre no es cuántos gramos hay, sino cuántas partículas (moléculas o iones) hay, porque son las partículas las que reaccionan, las que atraviesan una membrana o las que bajan la temperatura de congelación del agua. Por eso la concentración se expresa sobre todo en moles por litro: la molaridad (molarity). También verás el porcentaje en masa (mass percent) y los gramos por litro (mass concentration).

La molaridad: concentración en moles por litro

Si disuelves en agua $58.5\ \text{g}$ de sal de mesa (NaCl) y en otro vaso $180\ \text{g}$ de glucosa ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$), la balanza marca masas muy distintas, pero ambos recipientes contienen la misma cantidad de sustancia ($1\ \text{mol}$ de unidades NaCl y $1\ \text{mol}$ de moléculas de glucosa; eso sí, al disolverse, el NaCl se separa en $2\ \text{mol}$ de iones): ¿cómo podemos expresar la concentración para comparar el número real de moléculas o iones presentes por litro y no solo su masa?

Matraz aforado con un litro de disolución enrasado en la marca y cuatro partículas de soluto, que ilustran la molaridad como moles por litro. Molaridad: moles de soluto por litro 4 partículas de soluto en 1 L (cada partícula = 1 mol) 1 L marca de enrase partículas de soluto M = 4 mol / 1 L = 4 mol/L
Practica★☆☆Sin empezar
En el laboratorio se disuelven $0.5\ \text{mol}$ de cloruro de sodio en agua hasta completar $2\ \text{L}$ de disolución. a) Escribe la fórmula de la molaridad. b)…

En el laboratorio se disuelven $0.5\ \text{mol}$ de cloruro de sodio en agua hasta completar $2\ \text{L}$ de disolución.

  1. a) Escribe la fórmula de la molaridad.
  2. b) Calcula la molaridad de la disolución.
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Practica★☆☆Sin empezar
Una disolución de hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, es $0.4\ \text{M}$. Dato: masa molar del $\text{NaOH}$, $40\ \text{g/mol}$. a) ¿Cuántos moles de $\text{NaOH}$ hay…

Una disolución de hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, es $0.4\ \text{M}$. Dato: masa molar del $\text{NaOH}$, $40\ \text{g/mol}$.

  1. a) ¿Cuántos moles de $\text{NaOH}$ hay en $250\ \text{mL}$ de esa disolución?
  2. b) ¿Cuántos gramos de $\text{NaOH}$ son?
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Practica★★☆Sin empezar
Te encargan preparar $200\ \text{mL}$ de una disolución $1\ \text{M}$ de cloruro de potasio, $\text{KCl}$. Dato: masa molar del $\text{KCl}$, $74.5\ \text{g/mol}$. a)…

Te encargan preparar $200\ \text{mL}$ de una disolución $1\ \text{M}$ de cloruro de potasio, $\text{KCl}$. Dato: masa molar del $\text{KCl}$, $74.5\ \text{g/mol}$.

  1. a) ¿Cuántos moles de $\text{KCl}$ necesitas?
  2. b) ¿Qué masa debes pesar?
  3. c) Describe el procedimiento completo en el laboratorio, nombrando el material (balanza, vaso de precipitados, matraz aforado…) y el momento en que se enrasa.
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Otras formas de expresar la concentración

La masa de la disolución es la suma de la masa del soluto y la del disolvente. El porcentaje en masa (mass percent) dice cuántos gramos de soluto hay en cada $100\ \text{g}$ de disolución:

$$\%\ \text{en masa} = \frac{m_{\text{soluto}}}{m_{\text{disolución}}} \times 100$$

La densidad ($d$, en $\text{g/mL}$, igual a $\text{g/cm}^3$) conecta la masa con el volumen: $m = d \cdot V$.

Practica★☆☆Sin empezar
Para rehidratar a un deportista se prepara una bebida disolviendo $20\ \text{g}$ de glucosa en $180\ \text{g}$ de agua. a) ¿Cuál es la masa total de la disolución? b)…

Para rehidratar a un deportista se prepara una bebida disolviendo $20\ \text{g}$ de glucosa en $180\ \text{g}$ de agua.

  1. a) ¿Cuál es la masa total de la disolución?
  2. b) Calcula su porcentaje en masa de glucosa.
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El suero fisiológico que se usa en los hospitales es una disolución de cloruro de sodio al $0.9\ \%$ en masa. a) ¿Cuántos gramos de sal contiene una bolsa de…

El suero fisiológico que se usa en los hospitales es una disolución de cloruro de sodio al $0.9\ \%$ en masa.

  1. a) ¿Cuántos gramos de sal contiene una bolsa de $500\ \text{g}$ de suero?
  2. b) ¿Cuántos gramos de agua?
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Una farmacia diluye $50\ \text{g}$ de una disolución concentrada de sal al $20\ \%$ en masa con $150\ \text{g}$ de agua para preparar enjuagues. a) ¿Cuántos gramos de…

Una farmacia diluye $50\ \text{g}$ de una disolución concentrada de sal al $20\ \%$ en masa con $150\ \text{g}$ de agua para preparar enjuagues.

  1. a) ¿Cuántos gramos de sal aporta la disolución concentrada?
  2. b) ¿Cuál es la masa total de la mezcla?
  3. c) Calcula el nuevo porcentaje en masa.
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Practica★★☆Sin empezar
Una disolución de glucosa tiene una densidad de $1.08\ \text{g/mL}$ y una concentración del $5\ \%$ en masa. Dato: masa molar de la glucosa, $180\ \text{g/mol}$. a)…

Una disolución de glucosa tiene una densidad de $1.08\ \text{g/mL}$ y una concentración del $5\ \%$ en masa. Dato: masa molar de la glucosa, $180\ \text{g/mol}$.

  1. a) Calcula la masa de $1\ \text{L}$ de disolución.
  2. b) ¿Cuántos gramos de glucosa contiene ese litro?
  3. c) Calcula la molaridad de la disolución.
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Una olla contiene $2\ \text{kg}$ de caldo con un $1\ \%$ en masa de sal. a) ¿Cuántos gramos de sal lleva el caldo? b) Al cocerlo, se evapora agua hasta que el caldo pesa…

Una olla contiene $2\ \text{kg}$ de caldo con un $1\ \%$ en masa de sal.

  1. a) ¿Cuántos gramos de sal lleva el caldo?
  2. b) Al cocerlo, se evapora agua hasta que el caldo pesa $500\ \text{g}$: ¿cuál es ahora el porcentaje en masa de sal?
  3. c) Un cocinero quiere dejar el caldo en un $2\ \%$ de sal: ¿hasta qué masa total debe reducirlo?
  4. d) Explica por qué sube la concentración aunque no se haya añadido ni un gramo de sal: ¿qué magnitud se conserva?
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Partes por millón: concentraciones muy pequeñas

Un kilogramo de agua, equivalente a un millón de miligramos, representado como una barra; una franja finísima en el extremo representa 1 mg de soluto, es decir, 1 ppm. 1 kg de agua (= 1 000 000 mg) 1 mg de soluto = 1 ppm 1 ppm = 1 mg por cada kg de disolución

Diluir y mezclar disoluciones molares

En el laboratorio los ácidos comerciales se suministran muy concentrados (como el ácido clorhídrico comercial al $37\%$ en masa, aproximadamente $12\ \text{M}$), pero para las prácticas casi siempre se necesitan concentraciones bajas como $0.1\ \text{M}$ o $0.5\ \text{M}$: ¿qué volumen exacto de disolvente debes añadir para rebajar la concentración sin alterar la cantidad de soluto?

Dilución de 10 mL de HCl 2 M: en un matraz aforado se añaden 90 mL de agua hasta el enrase de 100 mL y se obtiene HCl 0.2 M con el mismo número de partículas de soluto, 0.02 mol. Estado 1 HCl concentrado Estado 2 HCl diluido M₁ = 2 M V₁ = 10 mL + 90 mL de agua se enrasa a 100 mL aforo M₂ = 0.2 M V₂ = 100 mL volumen total partículas de soluto (las mismas en los dos recipientes) n = M₁·V₁ = 2 M · 0.010 L = 0.02 mol = M₂·V₂
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Se toman $10\ \text{mL}$ de una disolución de ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, $2\ \text{M}$ y se añade agua hasta completar $100\ \text{mL}$ de disolución. Observa el…

Se toman $10\ \text{mL}$ de una disolución de ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, $2\ \text{M}$ y se añade agua hasta completar $100\ \text{mL}$ de disolución. Observa el esquema de la dilución.

10 mL HCl 2 M + agua 100 mL M₂ = ?
  1. a) ¿Cuántos moles de $\text{HCl}$ contenían los $10\ \text{mL}$ iniciales?
  2. b) Calcula la molaridad de la disolución diluida.
  3. c) Comprueba que se cumple la relación $M_1\times V_1=M_2\times V_2$ y explica qué magnitud se conserva en una dilución.
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Practica★★☆Sin empezar
Un laboratorio dispone de ácido nítrico, $\text{HNO}3$, $4\ \text{M}$ y necesita preparar $500\ \text{mL}$ de disolución $0.8\ \text{M}$. a) Aplica la relación…

Un laboratorio dispone de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$, $4\ \text{M}$ y necesita preparar $500\ \text{mL}$ de disolución $0.8\ \text{M}$.

  1. a) Aplica la relación $M_1\times V_1=M_2\times V_2$ para calcular el volumen de ácido concentrado que hay que medir.
  2. b) Describe cómo se prepara la dilución con seguridad: qué material se usa y por qué se añade el ácido sobre el agua y no al revés.
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Practica★★★Sin empezar
En un laboratorio de análisis se mezclan $100\ \text{mL}$ de disolución de $\text{NaCl}$ $0.5\ \text{M}$ con $300\ \text{mL}$ de disolución de $\text{NaCl}$…

En un laboratorio de análisis se mezclan $100\ \text{mL}$ de disolución de $\text{NaCl}$ $0.5\ \text{M}$ con $300\ \text{mL}$ de disolución de $\text{NaCl}$ $1.5\ \text{M}$. Supón que los volúmenes son aditivos. El esquema muestra la mezcla.

100 mL NaCl 0.5 M + 300 mL NaCl 1.5 M 400 mL M = ?
  1. a) Calcula los moles de sal que aporta cada disolución.
  2. b) Calcula la molaridad de la mezcla resultante.
  3. c) Explica por qué el resultado no es $1\ \text{M}$, la media de las dos concentraciones iniciales.
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Propiedades coligativas: lo que importa es cuántas partículas hay

Escala de temperatura de congelación: el agua pura congela a 0 °C, la disolución de sal 0.5 M congela más abajo y la de sal 1 M congela aún más abajo. Temperatura de congelación T 0 °C agua pura sal 0.5 M sal 1 M congela a 0 °C congela más abajo congela aún más abajo descenso

Resumen

El agua como disolvente y tipos de disoluciones

El agua es una molécula polar: el oxígeno atrae más los electrones y queda parcialmente negativo, y los hidrógenos parcialmente positivos. Por eso disuelve bien los compuestos iónicos y los polares: sus extremos rodean a los iones y los separan ("lo semejante disuelve a lo semejante").

Molécula de agua polar rodeando un ion sodio y un ion cloruro de un cristal de sal que se disuelve. Na⁺ Cl⁻ O δ⁻ el extremo negativo del agua se orienta hacia el catión

Un electrolito (electrolyte) forma iones en agua y la disolución conduce la electricidad (NaCl); un no electrolito (nonelectrolyte) no (azúcar). Según cuánto soluto hay, la disolución es insaturada (unsaturated: admite más soluto), saturada (saturated: ya no disuelve más a esa temperatura) o sobresaturada (supersaturated: contiene más de lo normal, es inestable).

La curva de solubilidad (solubility curve) muestra los gramos de soluto que se disuelven en $100\ \text{g}$ de agua a cada temperatura. En la mayoría de los sólidos sube al calentar. La velocidad de disolución aumenta al subir la temperatura, al agitar y al triturar el sólido (más superficie).

Practica★☆☆Sin empezar
Indica si cada afirmación es verdadera o falsa y justifica tu respuesta: a) Si se traspasa la mitad de una disolución a otro vaso, la molaridad en cada vaso es la mitad…

Indica si cada afirmación es verdadera o falsa y justifica tu respuesta:

  1. a) Si se traspasa la mitad de una disolución a otro vaso, la molaridad en cada vaso es la mitad que al principio.
  2. b) Si el volumen de una disolución se reduce a la mitad evaporando agua, su molaridad se duplica.
  3. c) Dos disoluciones de solutos distintos pueden tener la misma molaridad y, a la vez, distinta masa de soluto por litro.
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Practica★☆☆Sin empezar
Para preparar $100\ \text{mL}$ de una disolución $0.5\ \text{M}$ de carbonato de sodio hay que pesar $5.3\ \text{g}$ de soluto. Ordena los siguientes pasos del…

Para preparar $100\ \text{mL}$ de una disolución $0.5\ \text{M}$ de carbonato de sodio hay que pesar $5.3\ \text{g}$ de soluto. Ordena los siguientes pasos del procedimiento de laboratorio, que están desordenados, y explica qué se hace en cada uno:

  1. a) Enrasar con agua destilada hasta la marca del cuello del matraz.
  2. b) Pesar el soluto con la balanza.
  3. c) Disolver el soluto en un vaso con una pequeña cantidad de agua.
  4. d) Trasvasar al matraz aforado de $100\ \text{mL}$ y completar con agua casi hasta la marca.

Además, explica qué significa «enrasar» y por qué el matraz aforado es el material adecuado. La figura muestra el matraz aforado y, ampliado, el detalle del enrase en la marca del cuello.

100 mL marca de enrase marca menisco
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