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Química - Preparación Educación Superior

Curso: Química - Preparación Educación Superior > Unidad 5

Lección 2: Ley de conservación de la materia
Ciencia
Química - Preparación Educación Superior
Estequiometría
Ley de conservación de la materia
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Molaridad

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Definiciones de solución, soluto y solvente. Cómo la molaridad se utiliza para cuantificar la concentración del soluto y otros cálculos relacionados a la molaridad.

Puntos más importantes

  • Las mezclas con una composición uniforme se llaman mezclas homogéneas o soluciones.
  • Las mezclas con composiciones no uniformes son mezclas heterogéneas.
  • En una mezcla, la sustancia química presente en mayor cantidad se llama solvente, mientras que los otros componentes se llaman solutos.
  • La molaridad o concentración molar es el número de moles de soluto por litro de solución, lo cual se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
start text, M, o, l, a, r, i, d, a, d, end text, equals, start fraction, start text, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, o, end text, divided by, start text, l, space, d, e, space, s, o, l, u, c, i, o, with, \', on top, n, end text, end fraction
  • La concentración molar puede usarse para realizar conversiones entre la masa o moles de soluto y el volumen de la solución.

Introducción: mezclas y soluciones

En la vida real solemos encontrar sustancias que son mezclas de diferentes elementos y compuestos. Un ejemplo de mezcla es el cuerpo humano. ¿Sabías que la masa del cuerpo humano es aproximadamente 57, percent agua? Básicamente somos un conjunto de moléculas biológicas, gases e iones inorgánicos disueltos en agua. No sé tú, ¡pero yo lo encuentro bastante alucinante!
Una fotografía de la playa. La arena amarillenta está cubierta por gente recostada sobre toallas, hay también algunos nadadores en el océano verde-azul. La playa además está rodeada por las casas de un pequeño pueblo.
Además de los cuerpos de los visitantes de la playa, ¡la arena y el agua del océano son mezclas también! Fotografía de la playa Bondi de penreyes en flickr, CC BY 2.0
Si mezclamos sustancias de modo que su composición sea la misma en toda la muestra, les llamamos mezclas homogéneas. En contraste, una mezcla que no tiene una composición uniforme en toda la muestra se llama heterogénea.
Las mezclas homogéneas también se conocen como soluciones, y las soluciones pueden contener componentes que son sólidos, líquidos y/o gases. Muchas veces queremos cuantificar la cantidad de cierta especie presente en una solución, a lo cual le llamamos la concentración de dicha especie. En este artículo veremos cómo describir soluciones cuantitativamente y discutiremos cómo se puede utilizar esa información al hacer cálculos de estequiometría.

Concentración molar

El componente de una solución que está presente en mayor cantidad se conoce como solvente. Cualquier especie química mezclada en el solvente se llama soluto, y los solutos pueden ser gases, líquidos o sólidos. Por ejemplo, la atmósfera terrestre es una mezcla de 78, percent gas nitrógeno, 21, percent gas oxígeno y 1, percent argón, dióxido de carbono y otros gases. Podemos pensar en la atmósfera como una solución donde el gas nitrógeno es el solvente y los solutos son oxígeno, argón y dióxido de carbono.
La molaridad o concentración molar de un soluto se define como el número de moles del soluto por litro de solución (¡no por litro de solvente!):
start text, M, o, l, a, r, i, d, a, d, end text, equals, start fraction, start text, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, o, end text, divided by, start text, l, space, d, e, space, s, o, l, u, c, i, o, with, \', on top, n, end text, end fraction
La molaridad tiene unidades de start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, l, i, t, r, o, end text, end fraction, las cuales se pueden abreviar como molar o start text, M, end text (que se pronuncia "molar"). La concentración molar de un soluto a veces se abrevia colocando corchetes al rededor de la fórmula química del soluto. Por ejemplo, la concentración de iones cloruro en una solución se puede escribir como open bracket, start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript, close bracket. La concentración molar nos permite hacer conversiones entre el volumen de la solución y los moles (o masa) del soluto.
Verificación de conceptos: el bronce es una aleación que puede pensarse como una solución sólida de ~88, percent cobre mezclado con 12, percent estaño. ¿Cuáles son el soluto y el solvente en el bronce?

Ejemplo 1: calcular la concentración molar de un soluto

Consideremos una solución hecha mediante la disolución de 2, point, 355, start text, g, end text de ácido sulfúrico, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, en agua. El volumen total de la solución es 50, point, 0, start text, m, l, end text. ¿Cuál es la concentración molar del ácido sulfúrico, open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, close bracket?
Para encontrar open bracket, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, close bracket tenemos que encontrar cuántos moles de ácido sulfúrico se encuentran en solución. Podemos convertir la masa del soluto a moles utilizando el peso molecular del ácido sulfúrico, 98, point, 08, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction:
start text, m, o, l, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, equals, 2, point, 355, start cancel, start text, g, end text, end cancel, start text, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript, times, start fraction, 1, start text, m, o, l, end text, divided by, 98, point, 08, start cancel, start text, g, end text, end cancel, end fraction, equals, 0, point, 02401, start text, m, o, l, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript
Ahora podemos sustituir los moles de ácido sulfúrico y el volumen total de la solución en la ecuación de molaridad para calcular la concentración molar de ácido sulfúrico:
[H2SO4]=mol solutolitros de solucioˊn=0.02401 mol0.050 l=0.48 M\begin{aligned} [\text H_2 \text{SO}_4]&= \dfrac{\text{mol soluto}}{\text{litros de solución}}\\ \\ &=\dfrac{0.02401\,\text{mol}}{0.050\,\text l}\\ \\ &=0.48 \,\text M\end{aligned}
Verificación de conceptos: ¿cuál es la concentración molar de iones start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript en una solución 4, point, 8, start text, M, space, d, e, space, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, O, end text, start subscript, 4, end subscript?

Ejemplo 2: hacer una solución con determinada concentración

A veces tenemos una concentración y un volumen de solución deseados y necesitamos saber cuánto soluto necesitamos para hacer la solución. En ese caso, podemos reordenar la ecuación de molaridad para encontrar los moles de soluto.
start text, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, o, end text, equals, start text, M, o, l, a, r, i, d, a, d, end text, times, start text, l, space, d, e, space, s, o, l, u, c, i, o, with, \', on top, n, end text
Por ejemplo, digamos que queremos hacer 0, point, 250, start text, l, end text de una solución acuosa con open bracket, start text, N, a, C, l, end text, close bracket, equals, 0, point, 800, start text, M, end text. ¿Qué masa de soluto, start text, N, a, C, l, end text, necesitamos para hacer esta solución?
Podemos usar la ecuación de molaridad reordenada para calcular los moles de start text, N, a, C, l, end text necesarios para la concentración y volumen deseados:
mol NaCl=[NaCl]×l de solucioˊn=0.800 moll×0.250 l=0.200 mol NaCl\begin{aligned}\text{mol NaCl}&= [\text{NaCl}]\times{\text{l de solución}}\\ &=0.800\,\dfrac{\text{mol}}{\cancel{\text l}} \times 0.250\,\cancel{\text{l}}\\ &=0.200\,\text {mol NaCl}\end{aligned}
Después podemos usar el peso molecular del cloruro de sodio, 58, point, 44, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction, para convertir de moles a gramos de start text, N, a, C, l, end text:
start text, M, a, s, a, space, d, e, space, N, a, C, l, end text, equals, 0, point, 200, start cancel, start text, m, o, l, end text, end cancel, times, start fraction, 58, point, 44, start text, g, end text, divided by, 1, start cancel, start text, m, o, l, end text, end cancel, end fraction, equals, 11, point, 7, start text, g, space, N, a, C, l, end text
En la práctica, podemos usar esta información para crear nuestra solución como a continuación:
Paso 1, point, space Pesar 11, point, 7, start text, g, end text de cloruro de sodio.
Paso 2, point, space Transferir el cloruro de sodio a un matraz limpio y seco.
Paso 3, point, space Añadir agua al start text, N, a, C, l, end text hasta que el volumen total de la solución sea 250, start text, m, l, end text.
Paso 4, point, space Agitar hasta que el start text, N, a, C, l, end text esté completamente disuelto.
La precisión de nuestra concentración molar depende de nuestra elección de material de vidrio, así como de la precisión de la balanza que utilicemos para medir el soluto. El material de vidrio determina la precisión del volumen de la solución. Si no somos demasiado quisquillosos, podemos mezclar la solución en un matraz Erlenmeyer o en un vaso de precipitados. Si queremos ser extremadamente precisos, como al hacer una solución estándar para un experimento de química analítica, probablemente mezclaríamos el soluto y el solvente en un matraz volumétrico (ver imagen abajo).
Una imagen de un matraz volumétrico, que tiene una base ancha en forma de pera con un cuello muy fino y recto en la parte superior. El matraz está lleno de una solución azul oscuro que asciende parcialmente por el fino cuello del matraz.
Un matraz volumétrico que contiene una solución de azul de metileno, un colorante. Fotografía de Amanda Slater en flickr, CC BY-SA 2.0

Resumen

  • Las mezclas con composición uniforme se llaman soluciones homogéneas.
  • Las mezclas con composición no uniforme son mezclas heterogéneas.
  • La sustancia química presente en mayor cantidad en una mezcla se llama solvente y los otros componentes se llaman solutos.
  • La molaridad o concentración molar es el número de moles de soluto por litro de solución, lo cual puede calcularse utilizando la siguiente ecuación:
start text, M, o, l, a, r, i, d, a, d, end text, equals, start fraction, start text, m, o, l, e, s, space, d, e, space, s, o, l, u, t, o, end text, divided by, start text, l, space, d, e, space, s, o, l, u, c, i, o, with, \', on top, n, end text, end fraction
  • La concentración molar puede usarse para realizar conversiones entre la masa o moles de soluto y el volumen de la solución.

Pruébalo: la estequiometría de una reacción de precipitación

La molaridad es un concepto útil para los cálculos estequiométricos que involucran reacciones en solución, como las reacciones de precipitación y neutralización. Por ejemplo, considera la reacción de precipitación que ocurre entre start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis y start text, K, I, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis. Cuando estas dos soluciones se combinan, se forma un precipitado amarillo brillante de start text, P, b, I, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis. La ecuación balanceada de esta reacción es:
start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, 2, start text, K, I, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis, right arrow, start text, P, b, I, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, 2, start text, K, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis
Si tenemos 0, point, 1, start text, l, end text de 0, point, 10, start text, M, space, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, ¿qué volumen de 0, point, 10, start text, M, space, K, I, end text, left parenthesis, a, c, right parenthesis deberíamos añadir para que reaccione con todo el start text, P, b, left parenthesis, N, O, end text, start subscript, 3, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis?
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