Tema 3: Mezclas y sustancias puras. Disoluciones

1. SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS. Link 1

Una sustancia pura es un tipo de materia que no puede ser separado en otras sustancias mediante ningún proceso físico. Esta hecho de un mismo tipo de partículas. Ejemplos pueden ser el agua (H2O), hierro ( Fe ) , etc...

Hay dos tipos de sustancias puras: elementos y compuestos.

a) Elementos. Están compuestos de un solo tipo de átomos. Ej: carbono (C), hierro (Fe), oro (Au), oxígeno (O2) ...

b) Compuestos. Están hechos de dos o más tipos de átomos (elementos) distintos y solo pueden ser separados en sus elementos mediante métodos químicos (reacciones químicas). Ejemplos: agua ( H2O), dióxido de carbono ( CO2 ), cloruro de sodio (NaCl),...

Mat

eria

Una mezcla es un sistema material compuesto de dos o más sustancias que están mezcladas,pero no combinadas químicamente. Pueden ser separadas por métodos físicos.

Hay dos tipos de mezclas, homogéneas y heterogéneas

a) En una mezcla heterogénea las sustancias que la forman se diferencian fácilmente a simple vista. Ejemplo: Granito.

b) En una mezcla homogénea la composición es más uniforme (similar en toda la mezcla) y los componenetes no se distitnguen a simple vista. Ejemplos: aire, agua de mar, ...

Una aleación es una mezcla líquida solidificada de dos o más elementos (normalmente metales).

Example: acero, bronce,etc...

Basado en apuntes de Antonio J. Rodas Ramos, Luis I. Gª Glez y Jorge Gutiérrez 1/12

Las propiedades características de los compuestos son diferentes de las de los elementos que los constituyen y los compuestos además tienen unas propiedades específicas constantes (invariables) que permiten identificarlas fácilmente (el agua pura ebulle a 100ºC a nivel del mar).

Las propiedades de las mezclas son muy cercanas a las de las de sus constituyentes. Así dependen de los constituyentes y son variables según la proporción de estos (agua con sal será más o menos salada)

Actividad 1. Classfica las siguientes sustancias: Agua, granito, clavo de hierro, whisky, agua de mar, acero, mercurio, oro, aire, amoniaco, agua con tierra, vino, butano , oxígeno.

SUSTANCIA PURA MEZCLA

ELEMENTO COMPUESTO HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA

Agua

Actividad 2. Une cada sustancia con su naturaleza:

Gasolina Elemento

Agua Mezcla homogénea

Plata Mezcla heterogénea

Agua con arena Compuesto

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Actividad 3. ¿Cuáles de las siguientes sustancias metálicas son puras?

SUSTANCIA SUSTANCIA PURA ALEACIÓN ( Disolución)

Oro ( Au)

Mercurio ( Hg )

Acero

Hierro ( Fe )

Plomo ( Pb)

Bronce

Cobre ( Cu)

Latón ( Cu + Zn)

Actividad 4. Indica qué material es una mezcla, cuál un elemento y cuál un compuesto

Actividad 5. Indica cuáles de los siguientes sistemas son homogéneos o heterogéneos: Granito, acero, vino, cesta llena de ropa, tinta, agua del grifo, mar, aire, agua con tierra, cocido y hielo.

HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA

Actividad 6. Indica de qué están hechas las siguientes mezclas: (Si no lo sabes busca la información en internet o en una enciclopedia) .

MEZCLA SUSTANCIAS MEZCLA SUSTANCIAS

Agua de mar Agua y sal Granito

Leche Sangre

Aire Anticongelante coche

Acero

Bronce

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2. Métodos de separación de mezclas (TODOS FÍSICOS).

Vamos a revisar los principales métodos de separación de mezclas.

2.1. Separación de las sustancias que forman una mezcla homogénea (disolución)

MÉTODO BASADO EN; APARATO USADO SEPARA

Evaporación Diferencia en el punto de ebullición.

Se calienta una disolución o un líquido con un sólido no disuelto. El líquido se evapora y permanece el sólido. Es rápico, pero caro.Puede destruir sustancias sensibles, como la vitamina C.

Un sólido y un líquido.

Ej.: sal y agua

Cristalización Diferencia en el punto de ebullición.Se calienta una disolución o un líquido con un sólido no disuelto con la energía del sol. Lento, pero barato y no destruiría esas sustancias sensibles. En el laboratorio, se hace en el cristalizador.

Un sólido y un líquido.

Ej.: sal y agua

Destilación Diferencia en el punto de ebullición.

Se calienta una disolución de dos líquidos. El más volátil (menor Tª ebullición) ebulle y el otro permanece. Se condensa el vapor en el refrigerante y se recupera el líquido volátil.

Líquidos miscibles.

Ej.: agua y alcohol.

Extracción Diferente solubilidad en un disolventeUno de los componentes de la mezcla se disuelve en un disolvente, mientras que los otros no.

Una disolución cualquiera-Ejemplo: la cafeína del café se extrae usando un disolvente llamado éter etílico.

Cromatografía Diferencia de velocidad de las partículas en distinto medio porosoLa mezcla va en un disolvente (eluyente), que pasa a través de un medio poroso (una columna de gel de sílice o papel de filtro) y las sustancias se separan por moverse a distinta velocidad en ese medio

Cualquier sustancia disuelta en otra.Ej.: separar pigmentos de las plantas o los colores de una tinta

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Mezclas HOMOGÉNEAS Mezclas HETEROGÉNEAS

Los componentes de una mezcla se pueden separar por procedimientos físicos: filtración, cristalización, decantación, destilación...

Propiedades tales como densidad, puntos de fusión o ebullición , no tienen valores fijos, variando con la composición de la mezcla.

MEZCLAS(Resumen)

La proporción en que se pueden mezclar las sustancias no es fija. Pueden obtenerse mezclas con proporciones distintas.

Las sustancias mezcladas conservan sus propiedades.

Precisamente nos apoyamos en esas diferencias en las propiedades para separar las sustancias.

Actividad 7. Indica el método más adecuado para separar las siguientes mezclas (puede haber más de uno), el material usado y en qué se basa.

MEZCLA MÉTODO 1 MÉTODO 2

Agua con barro fino

Leche y nata

Arena y piedras

Clavos y arena fina

Gasolina y agua

Arena y agua

Agua de mar

Whisky

Tinta

Agua y vitamina C

Actividad 8. Une: Velocidad

Criba, tamizado

Destilación Tamaño

Decantación

Separación magnéticas Ferromagnetismo ( imanes)

Sedimentación

Cristalización Densidad

Filtración

Cromatografía Punto de ebullición

Centrifugación

Extracción Solubilidad

Evaporación

3. DISOLUCIONES.

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. Tiene dos partes: Disolvente: La sustancia en la que el resto de sustancias están disueltas. Suele ser el

componente mayoritorio

Solutos: Las sustancias que están disueltas en el disolvente. Componentes minoritarios

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SOLUTO

DISOLVENTE

SOLUTO

DISOLVENTE

Concentración: Es la abundancia de uno de los constituyentes dividido por la masa o volumen total de la mezcla. Existen diversos métodos para expresar la concentración. Estudiamos ahora:

3.1 % en masa. Expresa la concentración como porcentaje en masa de soluto en toda la mezcla. Un 15% de soluto significa que si tuviésemos 100 g de disolución, 15 serían de soluto.

Algunas disoluciones son tan diluidas, que es más conveniente utilizar partes por millón (ppm), o incluso partes por billón (ppb), en vez de % ( partes por 100 ).

Ejemplo:

3.2 % en volumen. Expresa la concentración como porcentaje en volumen de soluto en toda la mezcla.

3.3 Gramos por litro. Se define como la masa de soluto ms , normalmente en gramos, dividido entre el volumen total de la mezcla (V, normalmente en L) .

C=m s

V

PELIGRO. TEN CUIDADO. No confundas concentración (un soluto en una mezcla) con densidad (una única sustancia).

4. SOLUBILIDAD.

Algunas sustancias, como el agua y el alcohol, pueden ser mezcladas y crear una mezcla homogénea en cualquier proporción. Este tipo de sustancias se llamana miscibles. Como sabemos existen sustancias que no se mezclan en absoluto (como agua y aceite). Se denominan inmiscibles.

Pero muchas sustancias, al disolverlas en un disolvente, llegan a una cantidad máxima de sustancia que se puede disolver. A esta cantidad máxima (normalmente disuelta en 100 g o 1 L de disolvente) se la conoce como solubilidad.

La solubilidad depende de varios factores, uno de ellos la Temperatura. En la figura vemos como varía la solubilidad de distintas sales con la temperatura. Como vemos, para estas sales, la solubilidad aumenta con la Tª. Así si calentamos el disolvente, podemos disolver más soluto y saturar la disolución.

Pero, ¿qué pasa si entonces enfríamos la mezcla? Parte del soluto no “cabe” ya en la disolución y se va al fondo, porque es más denso. A esto se le llama una precipitación.

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DISOLUCIÓN DISOLUCIÓN

% masa de soluto=m s

mt

∗100

% volumende soluto=V s

V∗100

%0458,010010.1

458458

6

g

gppm

d =mV

La solubilidad de una sustancia en un disolvente depende de varios factores, como dijimos.

4.1. Factores que afectan la solubilidad:

a) Temperatura: Si hablamos de sales sólidas disueltas en agua, como vimos, generalmente la solubilidad aumenta con la temperatura. Pero la siuación es completamente contraria para los gases. Cuando aumentamos la temperatura, los gases son menos solubles en agua.

b) Polaridad: En la mayoría de los casos los solutos se disuelven únicamente en disolventes de su misma polaridad. Los solutos polares se disuelven solamente en disolventes polares y no en apolares y viceversa.

c) Presión: Solo afecta a los gases. La solubilidad de un gas es directamente proporcional a su presión. A más presión del gas, más sustancia disuelta en el mismo disolvente.

d) Agitación: NO afecta a la solubilidad de una sustancia. Solo incrementa la elocidad del proceso de sdisolución y disminuye la solubilidad de los gases (escapan más fácilmente).

Hay varios tipos de disoluciones, según su concentración:

Diluida. La concentración de soluto es muy baja.

Concentrada: La concentración de soluto es alta. Tiene bastante soluto en disolución

Saturada: Una solución que ya no admite más soluto. Depende de la temperatura.

Supersaturada: La concentración es mayor que la de saturación. Es una situación metaestable o inestable, y acaba precipitando.

Ahora distintos ejemplos de como resolver problemas de disoluciones:

Ejemplo 1.

Indica los pasos a seguir para preparar 150 cm3 de disolución de sal común de concentración 15 g/l.

Solución:

Según la definición de concentración en gramos litro dada más arriba, la disolución a preparar contendrá 15 g de sal común en 1 litro de disolución.

Usando factores de conversión

Para preparar la disolución sigo los siguientes pasos:

1. Peso en balanza 2,25 g de sal.

2. En un vaso echo una cantidad de agua inferior a 150 cm3. Por ejemplo 125 cm3. Disuelvo la sal en el agua. Al final del proceso observo que el volumen ya no es 125 cm3, sino algo más, debido a la presencia del soluto disuelto.

3. Completo con agua hasta los 150 cm3.

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3150 cm disolución3

15 g sal1000 cm disolución

2,25 g de sal=

Ejemplo 2.

Disponemos de 500 cm3 de una disolución de azúcar en agua cuya concentración es de 20 g/l. Si queremos tener 7 g de azúcar ¿qué volumen de disolución deberemos tomar?

Solución:

Aprovechamos el dato de concentración para calcular la cantidad de soluto solicitada:

Ejemplo 3

Preparamos una disolución de bicarbonato en agua, tal que su concentración sea de 25 g/l. Si tomamos 125 cm3 de esta disolución ¿qué cantidad de bicarbonato estaremos tomando?

Solución:

Usando factores de conversión:

Ejemplo 4

Preparamos una disolución de sal común en agua de la siguiente forma:

1. Pesamos 14,2 g de sal.2. Disolvemos la sal en aproximadamente 80 cm3 de agua.3. Completamos con más agua hasta 100 cm3.4. Pesamos la disolución obtenida, dándonos 109,0 g

¿Cuál es la concentración de la disolución en tanto por ciento en masa? ¿Cuántos gramos de soluto irán en 150 g de disolución?

Solución:

Masa de soluto: 14,2 g; Masa de (100 cm3) disolución: 109,0 g

Podemos calcular la concentración en tanto por ciento, usando la fórmula siguiente:

Para calcular los gramos de soluto que van en 150 g de disolución:

150   g d i so l u c i ó n  13,0   g   so l u t o

100   g d i s o l u c i ó n=19,5   g   so l u t o

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7 g azúcar 1 litro disloción20 g azúcar

30,35 l disolución 350 cm disolución= =

3125 cm disolución3

25 g bicarbonato1000 cm disolución

3,13 g bicarbonato=

1.- Pesar el soluto

2.-Disolver en un volumen menor que el de la disolución que hay que preparar

3.- Completar con más disolvente hasta el volumen de disolución que nos piden

100gramos soluto

% xgramos disolución

= 14,2 g soluto% x 100 13,0%

109,0 g disolución= =

3200cm disolución3

1,18 g disolución1 cm disolución

= 236 g disolución

Ejemplo 5

Se pesan 125,0 g de una disolución del 23%. ¿Cuántos gramos de soluto contiene?

Solución:

Usando factores de conversión:

Ejemplo 6

Una disolución de sal común en agua tiene una concentración de 24% y una densidad de 1,18 g/cm3 ¿Cuántos gramos de soluto contienen 200 cm3 de disolución?

Solución:

Una disolución del 24 % contiene 24 g de soluto en 100 g de disolución.

La dificultad radica aquí en que la pregunta se refiere a volumen (200 cm3) de disolución, mientras que el dato de concentración nos relaciona soluto (24 g) con masa (100 g) de disolución.

Usando el dato de densidad podemos relacionar masa de disolución con volumen de disolución

Una vez conocida la masa del volumen de disolución, podemos saber la cantidad de soluto usando el dato de concentración en tanto por ciento en masa:

DISOLUCIONES, SOLUBILIDAD 3º E.S.O.

1) Indica qué disolución es más concentrada, una que se prepara disolviendo 10 g de sal en 100 g de agua o una que se prepara disolviendo 5 g de sal en 20 g de agua.a) Calcula las concentraciones de ambas disoluciones.b) Si mezclas las dos disoluciones, cuál será ahora la nueva concentración ( calcula el porcentaje en masa de soluto). (Sol.: 10%, 25%, 12,5%)

2) Preparamos una disolución de azúcar en agua disolviendo 120 g de azúcar en 880 de agua. ¿Cuál es la concentración en % de esta disolución? ¿ Cuántos gramos de azúcar hay en 100 g de disolución? . ¿Y de agua es esos 100 g de disolución?¿ Cuántos gramos de azúcar hay por cada 100 g de agua ?. (Sol.: a ) 12%; b)12 g; c)88 g; d) 13,63 g ).

3) La riqueza en azúcar de las magdalenas es de 51,5%, calcula la cantidad de azúcar ingerida al comer dos magdalenas, si cada una tiene una masa de 60 g. (Sol.: 61,8 g)

4) He preparado una disolución mezclando 4,5 gramos de soluto con agua hasta tener 100 mL de disolución. ¿Cuál es la concentración de esta disolución, medida en g/L?.¿ Cuántos mL de una disolución de 45 g/L debo tomar para tener 27 g de soluto ? ( SOL : 600 mL )

Basado en apuntes de Antonio J. Rodas Ramos, Luis I. Gª Glez y Jorge Gutiérrez 9/12

125,0 g disolución 23 g soluto100 g disolución

= 28,8 g soluto

236g disolución 24 g sal100 g disolución

= 5,76 g sal

5) Se prepara una disolución , disolviendo 88,750 g de cloruro de hierro ( III ) ( FeCl3) en 228,225 g de agua, obteniéndose 0,250 litros de disolución. Expresar la concentración de la disolución resultante en :

a) % En peso. ( SOL : 28 % ).b) g/L ( SOL : 355 g / L )

6) a) De 100 mL de una disolución de sal en agua al 30 % en peso se cogen 25 mL . ¿ Cuál será la concentración de estos 25 mL ?. ( SOL : 30 % , igual ).

b) A los 100 mL al 30 % en peso se le añaden 100 mL de agua, ¿ cuál será su concentración ?. ( SOL : 15 % , la mitad ).

c) ¿ Cuál tendrá más cantidad de sal la disolución a) o la b) ?. (SOL : todos igual).

7) Un suero glucosado, contiene una concentración de azúcar de 8 g/L y una densidad de 1,08g/mL. Calcula:

A) ¿Qué cantidad de disolución y de azúcar habrá en un frasco de 250 mL; ( SOL :270 g; 2 g )

B) A un enfermo es necesario suministrarle una dosis de 17 g / día, ¿cuántos frascos de suero necesitaremos?; ( SOL : 8,5 )

C) ¿Cuál es la concentración de la glucosa en % en peso? ( SOL 2,96 % )

8) En un recipiente de 20 litros hay 4 g de oxígeno, 6 g de nitrógeno y 12 g de butano. Determina la concentración de cada componente en g / L y en % en peso. ¿Cuál será la densidad de la mezcla?( SOL : a) O: 18,2 % ; 0,2 g / L; N: 27,3 %; 0,3 g / L ; butano: 54,5 %; 0,6 g / L ; densidad = 1,1 g / L )

9) Un conocido medicamento para los síntomas del resfriado, se vende en sobres de 10 g, en los que el 5% es de principio activo. Un enfermo necesita tomar 3 sobres diarios, previamente disueltos en agua.

A) ¿Qué cantidad de principio activo ingiere al día? ( SOL : 1,5 g )B) Si al disolver un sobre consigue una disolución de 20 mL, ¿qué concentración de

principio activo hay en ella? ( SOL : 25 g / L )

10) a) Necesito preparar una disolución de 4 Kg con un 20% de sal y el resto de agua. ¿ Cómo lo harías ?. ( SOL : Disolviendo 800 g de sal en 3200 g de agua ) .

b) A la disolución anterior le añado 200 g de agua, ¿ que cantidad y concentración de sal hay?. ( SOL : 800 g de sal ; 19% en peso ).

c) De la disolución anterior se evaporan 500 g de agua, ¿ qué cantidad y concentración de sal hay ?. ( 800 g de sal ; 21,62 % en peso ).

11) Una persona se bebe 4 quintos de cerveza (un quinto es un quinto de un litro) al 5,2 % en volumen, ¿cuánta cerveza en cm3 ha consumido?.¿cuántos cm3 de alcohol ha consumido?. ¿Cuánta agua ha consumido ?. ( SOL: 41,6 cm3 de alcohol y 758,4 cm3 de agua )

12) Una botella de vino se divide en 6 copas. El volumen de la botella es de 750 mL. Una persona se ha bebido 3 vasos de vino. La botella de vino marca un 13,5% en volumen de alcohol. ¿Cuánto alcohol ingirió? (Sol.: 47,25 cm3)

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13) Como sabes, las aleaciones metálicas son disoluciones en las que los componentes están en estado sólido. Para medir la concentración de oro en una aleación (el resto suele ser plata) se usa una unidad llamada quilate. Una concentración de 1 quilate es de 1/24 del total, es decir, de cada 24 g de aleación, 1 g es de oro puro.

a) ¿Qué % en peso corresponde a una aleación de 1 quilate?b) ¿Qué % contendrá una aleación de 18 quilates? ¿y de 24 quilates?c) ¿Puede existir una aleación de 30 quilates? ¿por qué?d) ¿Qué cantidad de oro puro posee un lingote de oro de 18 quilates de 4 kg de masa?(Sol.: 4%; 75%, 100%, 3 kg)

14) En un medicamento contra el resfriado leemos la siguiente composición por cada 5 ml de disolución: “40 mg de trimetropina, 200 mg de sulfametoxazol., 5 mg de sacarina sódica, excipiente: etanol y otros en c.s.”

a) ¿Qué es el principio activo de un medicamento? ¿Qué es el excipiente?b) Calcular la concentración de cada componente en g/l.

15) En la siguiente tabla expresamos los valores de la solubilidad de distintos gases a distintas temperaturas:

Solubilidad (g/L) de diversos gases en agua a distintas temperaturas

Temperatura 0ºC 10ºC 20ºCº 30ºC

Dioxígeno (O2) 0,0146 0,0113 0,0091 0,0076

Dióxido de carbono (CO2)

3,2942 2,2859 1,6667 1,2815

Amoníaco (NH3) 858,12 660,68 515,39 402,48

a) Señala qué sustancia es la más y la menos soluble a 30ºC. b)¿Cómo varía la solubilidad de los gases con la temperatura, según los datos obtenidos? c) ¿Cuánto dioxígeno disuelto hay en un depósito de 1,5 m3 de agua a 10ºC? ¿Y a 30ºC? ¿A qué temperatura respiran mejor los peces?d) Si el depósito es cúbico, ¿ qué lado tiene? e) Elabora una hoja de cálculo donde representes la solubilidad de uno de los gases frente a la temperatura. ¿Son magnitudes directa o inversamente proporcionales? (Sol.: 21,9 g, 11,4 g, 1,145 m)

16) En la gráfica adjunta tenéis datos de la solubilidad de varios sólidos.¿Cuál es la solubilidad del nitrato de potasio a 55ºC? ¿Y a 40ºC?Si tengo 300 mL de disolución saturada de nitrato de potasio a 55ºC y la enfrío hasta 40 ºC, ¿cuántos gramos de nitrato de potasio precipitan?¿Cuál es el compuesto más soluble a 20ºC? ¿Y a 40 ºC?

¿En qué rango de temperaturas es el menos soluble cada uno de los compuestos?

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(Sol.: 105 g)

17) Los análisis de glucosa en sangre se considera normal un intervalo de glucosa entre 70 a 105 mg/L. Si en una muestra de sangre se encuentran 2 mg de glucosa en 20 mL de sangre.

a) ¿ Estará dentro del intervalo normal en sangre?b) Expresa la concentración en g/L

! CUIDADO ! El siguiente problema es muy difícil , riesgo de embolia cerebral. Solo para los candidatos a matricula de honor .

18)¿ Qué volumen de ácido sulfúrico ( H2SO4) concentrado , del 98 % en peso y densidad 1,84 g / cm3 se necesita parea preparar 100 cm 3 de ácido sulfúrico del 20 % en peso y densidad 1,14 g/cm3

?. ( SOL : 12,64 cm3 )

LINKS

1) http://www.solubilityofthings.com/basics

2) http://www.sciencegeek.net/Chemistry/taters/solubility.htm

3) http://www.hometrainingtools.com/chemicals-a-c/c/68/

4) http://www.chemprofessor.com/conc.htm

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