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QUIMICA DE MATERIALES
TEMA4. SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y DISOLUCIONES
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Disoluciones. Definiciones Básicas
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Disolución: Es una mezcla homogénea de dos o más sustancias
Soluto: Es el componente minoritario
Disolvente: Es el componente mayoritario
Tipos de Disoluciones:
a) Según el estado de los componentes.
b) Según la capacidad para disolver un soluto.
Disolución Saturada: Cuando contiene la máxima cantidad de soluto que es capaz de disolver a una determinada temperatura
Disolución Insaturada: Cuando contiene menor cantidad de soluto de la que es capaz de disolver a una determinada temperatura.
Disolución Sobresaturada: Cuando contiene mayor cantidad de soluto de la que es capaz de disolver a una determinada temperatura.
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El Proceso de Disolución
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El proceso de disolución está tanto más fácil cuanto mayor sea:
1. El desprendimiento de calor (proceso exotérmico).
2. El aumento en el desorden.
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Si las interacciones soluto-soluto y disolvente-disolvente son mayores que las interacciones soluto-disolvente.
Si las interacciones soluto-soluto y disolvente-disolvente son menores que las interacciones soluto-disolvente.
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Solubilidad de sustancias moleculares
Soluto es no polar y disolvente polar: las interacciones soluto-soluto son débiles mientras que las interacciones disolvente-disolvente son demasiado fuertes para compensarlas con las interacciones soluto-disolvente, por lo tanto el soluto es POCO SOLUBLE.
Soluto es polar y disolvente no polar: las interacciones disolvente-disolvente son débiles mientras que las interacciones soluto-soluto son demasiado fuertes para compensarlas con las interacciones soluto-disolvente, por lo tanto el soluto es POCO SOLUBLE.
Soluto es no polar y disolvente no polar: las interacciones soluto-soluto disolvente-disolvente y soluto-disolvente son débiles, en estas el aumento del desorden molecular toma gran importancia y esto hace que el soluto sea SOLUBLE.
Soluto es polar y disolvente polar: las interacciones soluto-soluto disolvente-disolvente y soluto-disolvente son fuertes, en estas el aumento del desorden molecular toma gran importancia y esto hace que el soluto sea SOLUBLE.
En general se cumple la regla: SEMEJANTE DISUELVE A SEMEJANTE.
Solubilidad de sólidos iónicos
Son insolubles en disolventes no polares y tienen una solubilidad muy variada en disolvente polares.
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Formas de expresar la Concentración
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Solubilidad
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Equilibrio dinámico
(a) El sólido comienza a disolverse
(b) Comienza a competir el proceso de disolución con el de precipitación (parte del soluto regresa a su estado de sólido
(c) Se produce un equilibrio dinámico. La velocidad de disolución es igual a la velocidad de precipitación
Disolución Saturada: Cuando contiene la máxima cantidad de soluto que es capaz de disolver a una determinada temperatura.
Disolución Sobresaturada: Cuando contiene mayor cantidad de soluto de la que es capaz de disolver a una determinada temperatura, parte del soluto permanece sin disolverse.
Efecto de la Temperatura en la solubilidad
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Solubilidad: Es la máxima cantidad de soluto que puede disolver disolvente a una determinada temperatura.
Aplicación: Cristalización Fraccionada
Es la separación de una mezcla de sustancias en sus componentes puros utilizando sus diferentes solubilidades.
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Ejemplo:
Supongamos que tenemos una muestra de 90 g de KNO3 contaminada de 10 g de NaCl, se disuelve en 100 mL de agua a 60ºC y se enfría hasta 0ºC.
gKNO3 = (90 - 12.1)g = 77.9 g
NaCl permanece disuelto porque su solubilidad es mayor que la cantidad que existe, permanecerán disueltos 12.1 g de KNO3 y precipitará el resto.
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Efecto de la presión en la solubilidad de los gases
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Ley de Henry:
La solubilidad de una gas en un líquido es proporcional a la presión de un gas sobre la disolución
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Reparto de un soluto en disoluciones inmiscibles
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Cuando se mezclan dos disoluciones de un mismo soluto en disolventes diferentes se produce un equilibrio del tipo:
soluto (A) ‹—› soluto (B)
La constante de equilibrio se denomina constante de reparto.
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Disoluciones ideales. Ley de Raoult
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Una disolución es ideal cuando las interacciones A-A y son semejantes a las A-B. Estas disoluciones cumplen la ley de Raoult.
La presión parcial de un disolvente en una disolución, P1, está dada por la presión de vapor del disolvente puro, P10, por la fracción molar del disolvente.
P1 = X1P10
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P1 = presión parcial del disolvente
X1 = fracción molar del disolvente
P10 = presión de vapor del disolvente puro
En disoluciones de un solo soluto y no volátil
La fracción molar del soluto X1 = 1 - X2
P1 = (1 - X2)P10
En disoluciones de un solo soluto y disolvente volátil
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Disoluciones reales
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Una disolución no es ideal cuando las interacciones A-A y son diferentes a las A-B. Estas disoluciones no cumplen la ley de Raoult.
Supongamos dos disoluciones: Acetona-sulfuro de carbono y Acetona-cloroformo. Los dos componentes son volátiles.
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Desviación positiva de la ley de Raoult
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Desviación negativa de la ley de Raoult
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Diagramas de punto de ebullición
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Diagramas presión-Composición.
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a. Existe una sola fase: Líquido
Composición de las fases: XL = 0.4
b. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XL = 0.4; XV=0.3
c. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XL = 0.45; XV=0.35
d. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XL = 0.5; XV=0.4
e. Existe una sola fase: Vapor
Composición de las fases: XV = 0.4
a. Existe una sola fase: Vapor
Composición de las fases: XV = 0.4
b. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XV = 0.4; XL=0.25
c. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XV = 0.35; XL=0.55
d. Existen dos fases: Líquido y Vapor
Composición de las fases: XV = 0.4; XL=0.6
e. Existe una sola fase: Vapor
Composición de las fases: XL = 0.4
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Diagramas Temperatura-Composición.
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Destilación simple
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La mezcla se calienta en el matraz hasta la temperatura de ebullición, en ese punto el gas que se produce (composición véase el diagrama temperatura-composición, punto d) se condensa disminuyendo la temperatura y se separa en el vaso de precipitado.
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Destilación fraccionada. Rectificación
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La mezcla se calienta en el matraz hasta la temperatura de ebullición. En la torre de rectificación existen “platos” donde se condensa parte del vapor que regresa a la fase líquida con mayor composición de la sustancia menos volátil. Este proceso al repetirse determinado número de veces hace que la composición de la fase vapor al final de rectificador sea cercana al 100% de la sustancia más volátil y la fase líquida, que permanece en el matraz tenga una composición cercana al 100% del componente menos volátil.
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Partimos de una composición inicial de XA=0.2
A medida que el vapor se encuentra con los platos se va enriqueciendo del componente más volátil.
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Azeótropos
Son aquellas disoluciones que no se pueden separar totalmente por destilación.
Presentan un punto de inflexión en el diagrama de fases.
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Diagramas de punto de Congelación
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Son similares, las fases características son sólido y líquido.
Sistemas eutécticos
En estos sistemas existe una transformación de una fase líquida a una mezcla de fases sólidas.
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L = Líquido
F = Formamida
P = Piridina
E = Punto eutéctico
a = Pf (Piridina)
c = Pf (Formamida)
Líneas a-E-c = Líneas liquidus
Línea b-d = Reacción Eutéctica
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Disoluciones de no electrolitos. Propiedades coligativas
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Son sustancias que no se disocian en sus iones en una disolución.
Propiedades que dependen sólo del nº de partículas de soluto en la disolución y no de la naturaleza de las partículas de soluto.
Disminución de la presión de vapor.
Si un soluto es no volátil (no tiene presión de vapor) la presión de vapor es siempre menor que la del disolvente puro.
Ley de Raoult P1 = X1P10 P1 = presión parcial del disolvente
X1 = fracción molar del disolvente
P10 = presión de vapor del disolvente puro
Elevación del punto de ebullición (Ebulloscopía)
Se define como el punto de ebullición de la disolución menos el punto de ebullición del disolvente puro.
Disminución del punto de fusión (Crioscopía)
Se define como el punto de fusión del disolvente puro menos el punto de fusión de la disolución.
Presión Osmótica
Ósmosis: Es el paso selectivo de moléculas de disolvente a través de una membrana porosa desde una disolución diluida hacia una disolución concentrada.
Membrana semipermeable: permite el paso de moléculas de disolvente pero no de soluto.
Presión osmótica (pi): Es la presión necesaria para detener la ósmosis.
pi = MRT
Proceso de Diálisis
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Consiste en la separación por medio de la Ósmosis de diferentes solutos
Tipos de disoluciones según su presión Osmótica.
Disoluciones Isotónicas: Disoluciones con la misma presión osmótica.
Disolución Hipertónica: Disolución con mayor concentración.
Disolución Hipotónica: Disolución con menor concentración
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Disoluciones de electrolitos
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Son sustancias que se disocian en sus iones en una disolución.
Son aquellas sustancias que, cuando se disuelven en agua, forma una disolución que conduce la electricidad.
Un compuesto electrolítico se disocia en disolución en dos o más iones
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Se producen dos iones por lo que las propiedades coligativas deberán ser el doble que si no fuera un electrolito.
Se producen cuatro iones por lo que las propiedades coligativas deberán ser el cuádruple que si no fuera un electrolito.
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Formación de pares iónicos
El número real de partículas después de la disociación es menor del teórico debido a estos pares iónicos
ireal < iteorica
Factor de Van’t Hoff de disoluciones 0.05 M a 25 ºC
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Propiedades coligativas
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Ebulloscopía
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Crioscopía
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Presión osmótica
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Coloides
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Es una dispersión de partículas de una sustancia (la fase dispersa) entre un medio dispersor, formado por otra sustancia, con un tamaño entre 1 nanometro y 1 micrometro
Tipos de coloides
Coloides hidrofílicos y coloides hidrofóbicos
Hidrofílicos: en su exterior tienen grupos hidrofílicos (sienten atracción por el agua)
Hidrofóbicos: en su exterior tienen grupos hidrofóbicos (sienten repulsión por el agua)
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Micelas Están formadas por tensioactivos (zona hidrofóbica y zaona hidrofílica).
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Detergentes Se usan tensioactivos para dispersar grasa en agua
La parte hidrofóbica del tensioactivo se disuelve en la grasa, esto hace que en el esterior se quede la parte hidrofílica y por tanto se disperse.
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