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Unidad 3: Propiedades de sustancias y mezclas

Química AP · Unidad 3: Propiedades de sustancias y mezclas

3.7 Soluciones y mezclas

En esta lección

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Pregunta esencial

¿Cómo medimos lo que hay en una solución?

Al terminar esta lección, deberías poder distinguir una mezcla homogénea de una heterogénea, usar la molaridad para hallar la concentración, los moles o el volumen de una solución, e incluso contar los iones que contiene.

El video está en inglés. ¿El video no carga? Míralo en YouTube.

Tipos de mezclas

Una mezcla son dos o más sustancias combinadas físicamente, no unidas por enlaces químicos.

  • Mezcla homogénea (una solución): tiene las mismas propiedades en toda la muestra
  • Mezcla heterogénea: sus propiedades dependen de la parte de la muestra donde mires
Dos recipientes de partículas. A la izquierda, mezcla homogénea: partículas azules y verdes mezcladas de manera uniforme, por ejemplo agua con azúcar. A la derecha, mezcla heterogénea: una capa naranja de aceite sobre una capa azul de agua, por ejemplo aceite y agua.

Una muestra de agua con azúcar se ve igual si la tomas de arriba, del medio o del fondo. En el aceite con agua, una muestra de arriba es casi pura de aceite y una del fondo es casi pura de agua. Si puedes ver capas o regiones, la mezcla es heterogénea.

Soluciones en todos los estados

  • Gas: el aire, sobre todo N2 con O2 y otros gases mezclados de manera uniforme
  • Líquido: el agua salada, con iones Na+ y Cl− repartidos de manera uniforme entre las moléculas de agua
  • Sólido: el latón, una aleación en la que los átomos de zinc ocupan el lugar de algunos átomos de cobre
Tres recipientes de partículas con soluciones en cada estado. Gas: aire, con moléculas de N2 y O2 separadas. Líquido: agua salada, con iones sodio y cloruro entre moléculas de agua. Sólido: latón, una red de átomos de cobre con algunos átomos de zinc.

En los tres casos, la mezcla es uniforme de principio a fin. Eso es lo que la hace una solución.

Soluto y disolvente

  • Soluto: la sustancia que se disuelve
  • Disolvente: la sustancia que disuelve, casi siempre la que está en mayor cantidad
  • (aq) significa acuoso, o disuelto en agua. NaCl(aq) es cloruro de sodio disuelto en agua.
Un recipiente con muchas partículas azules pequeñas de disolvente (agua) y unas cuantas partículas verdes más grandes de soluto (azúcar) repartidas entre ellas.

Molaridad

La concentración nos dice cuánto soluto hay en una cierta cantidad de solución. La molaridad es la forma más común de expresar la concentración en el laboratorio, y su ecuación aparece en la hoja de referencia de AP.

M = moles de soluto ÷ litros de solución

  • Unidades: mol/L, que se escribe M
  • 0.5 M se lee “0.5 molar” y significa 0.5 mol de soluto en cada litro de solución.
Dos vasos con el mismo volumen de solución. El de la izquierda tiene 3 partículas de soluto y una molaridad menor. El de la derecha tiene 9 partículas de soluto y una molaridad mayor.

Los dos vasos tienen el mismo volumen de solución, pero el de la derecha tiene tres veces más partículas de soluto, así que tiene el triple de molaridad.

Preparación de una solución en el laboratorio

Un matraz volumétrico tiene una línea grabada en el cuello. Cuando el líquido llega a esa línea, el matraz contiene un volumen exacto, por ejemplo 250.0 mL.

  1. Agrega al matraz una masa medida de soluto.
  2. Agrega un poco de agua y agita con movimientos circulares hasta que el soluto se disuelva.
  3. Agrega más agua hasta que la parte de abajo del menisco quede sobre la línea.
Tres matraces volumétricos en secuencia: 1, agregar soluto medido; 2, disolverlo en un poco de agua; 3, agregar agua hasta la línea grabada en el cuello.

¿Por qué no agregar simplemente 250 mL de agua al soluto? Porque el soluto también ocupa espacio, así que terminarías con más de 250 mL de solución y con la molaridad equivocada. La molaridad siempre usa el volumen total de la solución, no el volumen de agua que agregaste.

Despeje de la ecuación

  • Para hallar los moles: n = M × V
  • Para hallar el volumen: V = n ÷ M
  • El volumen debe estar en litros. mL ÷ 1000 = L
Triángulo de la molaridad con n (moles) arriba y M (mol/L) y V (litros) abajo. Tapa la variable que quieres hallar.

Tapa la variable que quieres hallar. Si tapas n, ves M junto a V, así que multiplicas. Si tapas V, ves n sobre M, así que divides.

Conteo de iones en solución

  • Los compuestos iónicos se separan en iones cuando se disuelven. Esto se llama disociación.
  • Na2SO4(s) → 2 Na+(aq) + SO42−(aq)
  • Concentración del ion = molaridad del compuesto × número de ese ion en la fórmula
Una unidad fórmula de Na2SO4, con un ion sulfato entre dos iones sodio, se disuelve en agua. Tres unidades fórmula dan 3 iones sulfato y 6 iones sodio, el doble de Na+ que de SO4 2-.

Así, una solución de Na2SO4 0.10 M da [Na+] = 0.20 M y [SO42−] = 0.10 M. Los corchetes significan “la concentración de”. Las sustancias moleculares como el azúcar se disuelven como moléculas completas y no se separan en iones.

Dilución

Diluir es agregar agua a una solución concentrada para que quede menos concentrada. Agregar agua no cambia los moles de soluto, y como M × V = moles:

M1V1 = M2V2

Dilución. Un vaso concentrado con 8 partículas de soluto en un volumen pequeño, M1 y V1. Al agregar agua, queda un vaso diluido con las mismas 8 partículas repartidas en un volumen mayor, M2 y V2.
  • 1 = antes de la dilución, 2 = después de la dilución
  • Los volúmenes solo necesitan las mismas unidades en los dos lados, así que aquí se vale usar mL.
  • V2 es el volumen final total, no la cantidad de agua que se agregó.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Cálculo de la molaridad

Un estudiante disuelve 7.45 g de KCl en agua suficiente para preparar 250.0 mL de solución. ¿Cuál es la molaridad de la solución?

Mostrar la solución
  1. Datos y lo que se busca: 7.45 g de KCl y 250.0 mL de solución. Se busca M, que necesita moles y litros, así que se necesitan dos conversiones.
  2. Masa molar: KCl = 39.10 + 35.45 = 74.55 g/mol
  3. De gramos a moles: 7.45 g × (1 mol / 74.55 g) = 0.09993 mol de KCl. Conserva un dígito extra hasta el final.
  4. De mL a L: 250.0 mL × (1 L / 1000 mL) = 0.2500 L
  5. Sustituye: M = 0.09993 mol ÷ 0.2500 L = 0.3997 M
  6. Respuesta: M = 0.400 M de KCl (3 cifras significativas, limitadas por los 7.45 g)

Ejemplo 2: Cálculo del volumen

¿Qué volumen, en mL, de solución de CuSO4 0.200 M contiene 0.0150 mol de CuSO4?

Mostrar la solución
  1. Datos y lo que se busca: M = 0.200 M y n = 0.0150 mol. Se busca V en mL.
  2. Ecuación: V = n ÷ M
  3. Sustituye: V = 0.0150 mol ÷ 0.200 mol/L = 0.0750 L. Los moles se cancelan y quedan litros.
  4. De L a mL: 0.0750 L × (1000 mL / 1 L) = 75.0 mL
  5. Respuesta: V = 75.0 mL (3 cifras significativas)

Ejemplo 3: Conteo de partículas

¿Cuántos iones cloruro hay en 50.0 mL de MgCl2 0.300 M?

Mostrar la solución
  1. Disociación: MgCl2 → Mg2+ + 2 Cl−, así que cada mol de MgCl2 da 2 moles de Cl−.
  2. De mL a L: 50.0 mL ÷ 1000 = 0.0500 L
  3. Moles de MgCl2: n = M × V = (0.300 mol/L)(0.0500 L) = 0.0150 mol de MgCl2
  4. Moles de Cl−: 0.0150 mol de MgCl2 × (2 mol de Cl− / 1 mol de MgCl2) = 0.0300 mol de Cl−
  5. De moles a iones: 0.0300 mol × (6.022 × 1023 iones / 1 mol) = 1.8066 × 1022 iones
  6. Respuesta: 1.81 × 1022 iones Cl− (3 cifras significativas)

Revisión: [Cl−] = 2 × 0.300 M = 0.600 M, y 0.600 mol/L × 0.0500 L = 0.0300 mol de Cl−. Es la misma respuesta de las dos maneras.

Ejemplo 4: Dilución

¿Qué volumen de HCl 6.00 M se necesita para preparar 250.0 mL de HCl 0.300 M?

Mostrar la solución
  1. Identifica los datos: M1 = 6.00 M, V1 = ?, M2 = 0.300 M, V2 = 250.0 mL
  2. Despeja: V1 = M2V2 ÷ M1
  3. Sustituye: V1 = (0.300 M)(250.0 mL) ÷ 6.00 M. Las unidades de molaridad se cancelan y quedan mL.
  4. Resuelve: 75.0 ÷ 6.00 = 12.5 mL
  5. Respuesta: V1 = 12.5 mL de HCl 6.00 M (3 cifras significativas)

En el laboratorio, mide 12.5 mL del ácido 6.00 M y luego agrega agua hasta que el volumen total llegue a 250.0 mL. Siempre agrega el ácido al agua, nunca el agua al ácido.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Una solución es una mezcla homogénea y puede ser un gas, un líquido o un sólido.
  • Molaridad = moles de soluto ÷ litros de solución.
  • Para los iones, multiplica por el número de ese ion en la fórmula.
  • La dilución conserva los moles: M1V1 = M2V2.

Consejo para el examen: en otras clases puede que veas porcentaje en masa o molalidad, pero esos cálculos no se evalúan en el examen de AP. La molaridad es la que debes dominar.

De vuelta a la pregunta esencial: medimos lo que hay en una solución con su concentración, y en Química AP eso significa la molaridad, los moles de soluto en cada litro de solución. A continuación, el Tema 3.8 muestra cómo dibujar diagramas de partículas de soluciones.

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Alineación con AP

Esta lección cubre el Tema 3.7, Soluciones y mezclas, de la Unidad 3 (Propiedades de sustancias y mezclas) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:

  • 3.7.A: Calcular el número de partículas de soluto, el volumen o la molaridad de soluciones.

Conocimiento esencial: 3.7.A.1, 3.7.A.2

Habilidad sugerida: 5.F Rutinas matemáticas. Calcular, estimar o predecir una cantidad desconocida a partir de cantidades conocidas, eligiendo y siguiendo una ruta de cálculo lógica y cuidando la precisión (por ejemplo, haciendo análisis dimensional y cuidando las cifras significativas).

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