EL AGUA:
En la región ABD, el hielo es la única fase estable; en DBC y ABC, las únicas fases estables son, respectivamente, el agua y el vapor de agua. En el punto de intersección B, la temperatura es de 0,01 ºC, y tanto el hielo como el agua tienen la misma presión de vapor: 610,5 pascales. B es el punto triple del agua.
A diferencia del punto de congelación y del punto de ebullición, que dependen de la presión, el punto triple es una propiedad fija. Se utiliza para definir el kelvin, la unidad de temperatura termodinámica. Por definición, hay exactamente 273,16 K entre el punto triple del agua y el cero absoluto.
La temperatura del punto triple para cualquier sustancia pura es muy próxima a la de fusión, puesto que la variación
TEMA 8
Propiedades físicas de las disoluciones
–Tipos de disoluciones
Existen tres tipos de disoluciones, saturada, sobresaturada, y no saturada. Una solución saturada es aquella en la que contiene la máxima cantidad de soluto que el disolvente puede disolver a una determinada temperatura. Una solución sobresaturada es aquella en la que la solucione posee mayor cantidad de soluto que la cual el disolvente puede disolver. Mientras que en una solución no saturada contiene menor cantidad de soluto que la que es capas de disolver una solvente.
-Unidades de concentración
La concentración, es la cantidad de soluto presente en una determinada cantidad de una disolución. Existen varias unidades de concentración, de las cuales las cuatro siguientes son las más conocidas: porcentaje en masa, fracción molar, molaridad y molalidad.
Porcentaje en masa
El porcentaje en masa es la relación de masa de un soluto en la masa de una disolución, multiplicado por 100%.
Porcentaje en masa = masa de soluto / masa de disolución X 100%
Fracción molar
La fracción molar de un componente de una disolución, el componente A, se representa como Xa y se define como:
Xa = moles de A / moles totales
Molaridad (M)
La molaridad es la cantidad (moles) de soluto que existe en un litro de disolución.
Molaridad = moles de soluto / litros de solución
Molalidad (m)
La molalidad es el número de moles disueltos en 1kg de un disolvente.
Molalidad = moles de soluto / masa de disolvente (Kg.)
–Efecto de la temperatura en la solubilidad
La solubilidad es la máxima cantidad de un soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de un disolvente a una determinada temperatura específica.
En general, el aumento de la temperatura incrementa la solubilidad de sustancias sólidas y liquidas, y disminuye la solubilidad de los gases en agua.
Solubilidad de los sólidos y la temperatura
En la mayor parte de los casos aunque no en todos, la solubilidad de una sustancia sólida aumenta con la temperatura. En general el efecto de la temperatura sobre la solubilidad debe determinarse en forma experimental.
Solubilidad de los gases y la temperatura
La solubilidad de los gases en agua por lo general disminuye al aumentar la temperatura.
–Propiedades coligativas de las disoluciones de no electrolitos
Las propiedades coligativas son propiedades que dependen solo del número de partículas de soluto en la disolución y no de la naturaleza de las partículas del soluto. Las propiedades coligativas son la disminución de presión de vapor, la elevación del punto de ebullición, la disminución del punto de congelación y la presión osmótica. Para el estudio de las propiedades coligativas de disoluciones de no electrolitos es importante recordar que se habla de disoluciones diluidas cuyas concentraciones son menores o iguales a 0.2M
Disminución de la presión de vapor
Esta relación se expresa por la ley de raoult que establece que la presión parcial de un disolvente en una disolución, P1, esta dada por la presión de vapor del disolvente puro P°1, multiplicada por la fracción molar del disolvente en la disolución, X1
P1= X1 P°1
Elevación del punto de ebullición
La elevación del punto de ebullición se define como el punto de ebullición de la disolución menos el punto de ebullición del disolvente puro
Tb = Tb – T°b
Tb = Kb x m
Disminución del punto de congelamiento
La disminución del punto de congelamiento se define como el punto de congelación del disolvente puro menos el punto de congelación de la disolución
Tf = T°f – Tf
Tf = Kf x m
Presión osmótica
Muchos procesos químicos dependen de la osmosis, que es el paso selectivo de moléculas de disolvente a través de una membrana porosa desde una disolución diluida hacia una concentrada. Mientras que la presión osmótica de una disolución es la presión que se requiere para detener la osmosis.
Membrana permeable: permite el paso de molécula de disolvente, pero impide el paso de moléculas de soluto.
Al igual que la elevación del punto de ebullición y la disminución del punto de congelación, la presión osmótica es directamente proporcional a la concentración de la disolución. Esto es lo que se esperaría ya que todas las propiedades coligativas dependen solo del numerote partículas de soluto disueltas en la disolución. Si dos disoluciones tienen la misma concentración y por lo tanto tienen la misma presión osmótica, se dice que son isotónicas.
Presión osmótica = M x R x T
Empleo de las propiedades coligativas en la determinación de la masa molar
Es el proceso por el cual a partir de la disminución del punto de congelación o de la presión osmótica se puede calcular la molalidad o molaridad.
TEMA 9
Cinética química
Nociones de cinética:
La cinética química es el área de la química que esta relacionada con la rapidez, o velocidad con que ocurre una reacción. La palabra "cinética" indica el movimiento o cambio; lo cual se refiere a la velocidad de una reacción, que es el cambio de concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo. (M/S).
Se sabe que cualquier reacción puede representarse por la ecuación general: reactivos(productos. Esta ecuación expresa que durante el transcurso de una reacción los reactivos se consumen mientras se forman los productos. Como resultado, se puede seguir el proceso de una reacción al medir, ya sea la disminución de la concertación de los reactivos, o le aumento en la concentración de los productos.
A(B
Acá se muestra el progreso de una reacción en la que las moléculas de A se convierten en moléculas de B.
Acá se muestra la disminución en el número de moles de A y el incremento en el número de moléculas de B, respecto al tiempo.
En general es mejor expresar la velocidad de reacción en términos del cambio de concentración respecto el tiempo. Así para
la reacción A( B, se puede expresar la velocidad como:
Donde [A] y [B] son los cambios de concentración en un determinado periodo [T] (tiempo). Debido a que la concentración de "A" disminuye durante el intervalo de tiempo, [A] es una cantidad negativa. La velocidad de reacción es una cantidad positiva.
Reacciones de primer orden:
Es una reacción cuya velocidad depende de la concentración del reactivo elevada a la primera potencia. En una reacción de primer orden del tipo A(Productos la velocidad es:
A partir de la ley de velocidad, también se sabe que: velocidad= K [A], para obtener unidades de K, para la ley de velocidad se escribe:
Al combinar las dos primeras ecuaciones para la velocidad, se obtiene:
Mediante el cálculo, partiendo de la ecuación (arriba), es posible demostrar que:
Donde el logaritmo natural, y [A] º y [A] son las concentraciones de "A" de los tiempos (T = 0) y (T = t), respectivamente. Debe aclararse que (T = 0) no corresponde con necesidad con el principio del experimento, puede seleccionarse cualquier tiempo para empezar a medir el cambio de concentración de "A". La ecuación anterior se puede reordenar como sigue:
Ln [A] º – Ln [A] = K T / Ln [A] = – K T + Ln [A] º
Esta última ecuación tiene la forma de una recta (y = mx + b), donde "m" es la pendiente de la recta.
Ln [A] = (-K) (-T) + Ln [A] º
y = m x + b
Por lo tanto una grafica de Ln [A] contra "T", es una recta con pendiente de (-K)
Velocidad de reacción:
Se define velocidad de reacción química, como la cantidad de materia formada o transformada por unidad de tiempo, la velocidad de reacción no es constante.
La velocidad media de aparición de producto en una reacción esta dada por la variación de la concentración de una especie química con el tiempo:
La velocidad de aparición del producto, es igual a la velocidad de desaparición de los reactivos. La velocidad de reacción se define como:
r = K (([A] ^a) ([B] ^b))
Donde los corchetes definen la concentración, "r" denota la velocidad de reacción, y K es la constante de velocidad, (las concentraciones elevadas a su coeficiente estequiometrico.).
Existen varios factores que afectan la velocidad de reacción química, como la concentración de reactivos, la temperatura, y la existencia de catalizadores. Por normas generales la velocidad de reacción aumenta con el incremento de la temperatura, por que al incrementarla, incrementa la energía cinética de las moléculas.
Energía de activación:
ARRHENIUS, sugirió que las moléculas deben poseer una energía mínima para reaccionar. Esa energía proviene de la energía cinética de las moléculas que colisionan.
TEMA 10
Equilibrio químico
–El concepto de equilibrio y la constante de equilibrio
El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes. En el equilibrio químico participan distintas sustancias como reactivos y productos. El equilibrio entre dos fases de la misma sustancia se denomina equilibrio físico porque los cambios que suceden son procesos físicos. (Evaporación del agua)
La constante de equilibrio
Reactivos <-> productos
aA + bB <-> cC + dD
K = [C]c x [D]d / [A] a [B]b
K es la constante de equilibrio.
Si K es mayor que 1 el equilibrio se desplaza hacia la derecha es decir hacia los productos.
Si K es menor que 1 el equilibrio se desplaza hacia la izquierda es decir hacia los reactivos
–Escritura de las expresiones de las constantes de equilibrio
Como las concentraciones de reactivos y de productos se pueden expresar en distintas unidades, y dado que las especies que reaccionan no siempre están en la misma fase, es probable que haya más de un modo de expresar la constante de equilibrio para la misma reacción. Para comenzar se analizaran reacciones en las que los reactivos y productos están en la misma fase.
Equilibrios homogéneos
El termino equilibrio homogéneo se aplica a la reacción en las que todas las especies se encuentran en la misma fase
aA (g) <-> bB (g)
Kp = [PB] b / [PA] a
Kc = [B]b / [A]a
PA = NA x R x T / V
–Factores que afectan el equilibrio químico
Al ser el equilibrio muy delicado, los cambios en las condiciones experimentales pueden alterar el balance y desplazar la posición del equilibrio para que se forme mayor o menor cantidad de producto deseado. Las variables que se pueden controlar en forma experimental son la concentración, presión, volumen y la temperatura.
Principio de Le Chatelier
Esta regla ayuda a predecir en que dirección se desplazara una reacción en equilibrio cuando hay un cambio de concentración, presión, volumen o temperatura. Este principio establece que si se aplica una tensión externa a un sistema en equilibrio, el sistema se ajusta de tal manera que se cancela parcialmente dicha tensión en la medida que el sistema alcanza una nueva posición de equilibrio. El termino tensión significa aquí un cambio de concentración, presión, volumen o temperatura que altera el estado de equilibrio del sistema.
Si Qc > Kc la reacción se desplaza hacia la izquierda hasta que Qc = Kc
Si Qc < Kc la reacción se desplaza hacia la derecha hasta que Qc = Kc
TEMA 11
Equilibrio iónico
–Ácidos y bases
Un ácido de Bronsted es una sustancia capaz de donar un protón, y una base de Bronsted es una sustancia capas de aceptar un protón.
Una extensión de la definición de Bronsted de ácidos y bases es el concepto de par conjugado ácido-base. Que se define como un ácido y su base conjugada, o como una base y su ácido conjugado.
La base conjugada de un ácido de Bronsted es la especie que resulta cuando el ácido pierde un protón. A la inversa, un ácido conjugado resulta de la adición de un protón a una base de Bronsted.
Por ejemplo el ion cloruro (CL-) es la base conjugada que se forma a partir del ácido clorhídrico, y h20 es la base conjugada del ácido H30 (hidronio). El NH4 es el ácido conjugado de la base NH3.
Mientras que una base de lewis es aquella sustancia que puede donar un par de electrones. Y un acido de lewis es aquella sustancia que puede aceptar un par de electrones.
–Autoionizacion del agua
El agua tiene la propiedad para actuar como base o ácido.
Funciona como base en reacciones con ácidos y como base en reacciones con bases. Es un electrolito débil, por lo tanto un mal conductor de la electricidad pero tiene una ligera ionizacion.
H2O + H2O <-> H3O+ + OH-
Ácido 1 + base 2 ácido 2 base 1
En el estudio de la reacciones acido-base en disoluciones acuosas, la concentración del ion hidrogeno es muy importante gracias a que indica la acides o basicidad de una disolución.
Constante del producto iónico: es el producto de las concentraciones molares de los iones [H+] y [OH-] a una temperatura en particular.
Kw= (1×10-7) x (1×10-7) = 1×10-14 / Kw = [H] x [OH] = 1×10 -14
Siempre que las concentraciones tanto de protones como de oxidrilos sean iguales (H+ = OH-), se dice que la disolución acuosa es neutra. En una disolución acida hay un exceso de protones, y en una básica un exceso de iones oxidrilos.
[OH-] = Kw / [H+] = Kw
[H+] [OH-]
-PH
El Ph es una manera de expresar la concentración del ion hidrogeno. El pH aumenta a medida que la concentración de protones disminuye.
Soren Sorensen propuso una forma de medir la acides de las disoluciones, consiste en calcular el logaritmo negativo de la concentración de protón en mol/litros.
PH = -log [H] [H] = 10-pH
POH = -log [OH] [OH] = 10-pOH
PH + pOH = 14.00
La constante de ionizacion acida: es la constante de equilibrio para la disociación de un acido. A ciertas temperaturas, la fuerza del acido (HA) se pueden medir cuantitativamente mediante la magnitud de Ka. Debe recordarse que solo los ácidos débiles tienen constante.
Ka = [H+] x [A-]
[HA]
Porcentaje de ionizacion: que se define como la concentración del acido ionizado en el equilibrio, dividido, la concentración inicial del acido, por el 100%.
Pi. = H+] x 100%
[HA]
Constante de ionizacion básica: que es la constante de ionizacion de una base.
Kb = [A+] x [OH-]
[A (OH)]
–Efecto del ion común
El efecto del ion común es el desplazamiento del equilibrio causado por la adición de un compuesto que tiene un ion común con la sustancia disuelta. Este efecto tiene una función importante en la determinación del ph y la solubilidad.
–Hidrólisis
La hidrólisis de una sal es la reacción de un anion o un cation de una sal o de ambos, con el agua.
El ion Na hidratado no dona ni acepta iones H. El ion NO3 es la base conjugada del acido fuerte HNO3 y no tiene afinidad por los iones H. Como consecuencia una solución que contenga iones Na y NO3 es neutra, con un pH cercano a 7.
La disolución de una sal derivada de una base fuerte y un acido débil es básica. Por ejemplo la disociación del acetato de sodio en agua esta dada por
H20
CH3COONA ( Na + CH3COO
El ion Na hidratado no tiene propiedades acidas ni básicas. Sin embargo el ion acetato CH3COO es la base conjugada del acido débil CH3COOH y por lo tanto tiene afinidad por los iones H. Por ende la reacción de hidrólisis esta dada por
CH3COO + H2O <-> CH3COOH + OH
Debido a que esta reacción produce iones OH, la disolución de acetato de sodio debe ser básica.
Base fuerte y acido débil ( básica
Acido fuerte y base débil ( acida
Ion de un mental alcalino o alcalino terreo excepto Be. + la base conjugada de un acido fuerte (Cl, Br, etc) ( no se hidrolizan
-Valoraciones acido-base
En una valoración, una disolución de concentración exactamente conocida, denominada disolución patrón, se agrega en forma gradual a otra disolución de concentración desconocida hasta que la reacción química entre las dos disoluciones se complete. Se consideran tres tipos de reacciones: valoraciones que incluyen un acido fuerte y una base débil, valoraciones que incluyen un acido débil y una base fuerte, y valoraciones que incluyen un acido fuerte y una base débil.
-Solubilidad y producto de solubilidad (kps)
La solubilidad, es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura específica.
Solubilidad molar: es el número de moles de soluto en un litro de una disolución (mol/ltrs.).
Solubilidad: es el numero de gramos de soluto que se disuelve en un litro de disolución (grs. /ltrs.).
El producto de la solubilidad de un compuesto es el producto de las concentraciones molares de los iones constituyentes, cada una elevada a la potencia de su coeficiente estequiometrico en la ecuación de equilibrio.
MgF2 <-> Mg + 2F Kps = [Mg] x [F] 2
El valor de kps indica la solubilidad de un compuesto iónico, menor valor de kps menor va a ser la solubilidad del compuesto en agua.
Para concentraciones de iones que no correspondan a condiciones de equilibrio se utiliza el cociente de reacción, que es el producto iónico Q, para predecir si se forma algún precipitado.
Q = [Ag] 0 [Cl] 0
El subíndice 0 indica que estas son concentraciones iniciales y que no necesariamente corresponden a las del equilibrio.
Q > kps es una disolución sobresaturada con formación de precipitado
Q < kps disolución no saturada, sin precipitación
Q = kps disolución saturada, sin precipitación.
Separaciones de iones por precipitación fraccionada: en el análisis químico, en ocasiones es conveniente eliminar por precipitación, un tipo de ion de una disolución, y dejar disueltos a los demás. Esto se logra conociendo los iones con los que el ion que queremos separar formara el precipitado, conociendo su Kps y la molaridad del ion en la disolución, se determina cual precipitara primero. A esto se le llama precipitación fraccionada o por partes.
Autor:
Mario Eduardo Martinez Espeche
| Página siguiente |