ESTUDIO DE LAS SOLUCIONES.

Las soluciones son  fundamentales en las labores químicas e industriales puesto que las reacciones químicas en su mayoría se dan a raíz de una solución de igual forma juega un papel importante en las ciencias biológicas y medicas.

La solución es una mezcla de varias sustancias que  unen sus moléculas para formar características propias, por ello es importante conocer las partes que constituyen a una solución.

Componentes de una solución.

Está conformada por dos componentes básicos  como los son. el solvente o disolvente y el soluto.

El solvente es la sustancia que disuelve al soluto y el soluto es el disuelto por el solvente.

Los factores que afectan la solubilidad, son:

v  el efecto de la naturaleza química de soluto  y solvente,  para saber si una sustancia se puede disolver o no en otra se debe tener en cuenta el enunciado que dice “lo semejante disuelve a lo semejante”  lo que quiere decir que las dos sustancias a mezclarse deben tener una composición molecular semejante, lo que quiere decir que las sustancias polares o iónicas tienden hacer mas solubles en solventes polares, y las sustancias no polares se disuelven en sustancias no polares.

 Las moléculas polares son aquellas en las que no coincide el centro de distribución de cargas positivas y el de las negativas, el ejemplo más significativo es el agua

Las moléculas no polares son aquellas en las que coincide el centro de distribución de las cargas positivas y negativas. Las moléculas de oxígeno, nitrógeno, compuestas por dos átomos iguales pertenecen a esta categoría.

v  Efecto de la temperatura: La temperatura juega un papel muy importante en la solubilidad de las sustancias. Por medio de experimentos se ha demostrado que los sólidos son generalmente mas solubles en solventes calientes que fríos ejemplo cuando preparamos una limonada le agregamos el hielo y por último el azúcar  veremos que a medida que el agua se pone más fría el azúcar disuelve menos al grado de no endulzar la limonada así se le agregue mas azúcar.

Ahora para un gas tiene un efecto contrario. La solubilidad de un gas en un liquido disminuye con el aumento de la temperatura, esto es porque la molécula de gas tienden a ocupar mayor volumen debido a que se incrementa la energía cinética de las moléculas y escapan de liquido.

v  Efecto de la presión: Los pequeños cambios tienen un gran efecto en la solubilidad de los gases en líquidos.” La solubilidad de un gas en un liquido es directamente proporcional a la presión del gas sobre la solución” esta es la ley de Henrry.

Proceso de disolución

Es el proceso mediante el cual el soluto se incorpora al solvente. Este proceso se puede presentar en dos formas básicas:

Solvatación,  en este caso se disuelven solutos polares  en solventes polares. La fuerza de atracción entre las moléculas deben ser bastante fuertes para que las moléculas no se dispersen y provoquen una evaporación inmediata.

Dispersión,  cuando los componentes de la solución no son polares la disolución se presenta como fenómeno de dispersión. Las moléculas de los gases y de muchos sólidos y líquidos ejercen fuerzas moleculares muy pequeñas entre sí. Que pueden ser dispersadas por moléculas similares.

Propiedades coligativas de las soluciones algunas propiedades físicas de las soluciones van a depender del numero de partículas de soluto en solución más que de la composición química, a estas propiedades se les llama coligativas. Dichas propiedades son:

Presión de vapor es la tendencia que tienen las moléculas a escapar de la superficie de un solvente  líquido a estado gaseoso.

Punto de ebullición: un líquido hierva cuando su presión de vapor se iguala a la presión atmosférica. Una solución con una presión de vapor menor tendrá un punto de ebullición más alto que el solvente puro, esto se da porque se requiere de mas energía para liberar a las moléculas del solvente que están unidas al soluto.

Punto de congelación: se da cuando el liquido pasa a sólido , y disminuye con la presencia de partículas de soluto porque impiden que las moléculas del solvente se compacten para formar el estado sólido.

Clasificación de las soluciones

De acuerdo a su estado físico de sus componentes: las más comunes son las binarias, que contienen dos componentes, estas se clasifican de acuerdo al estado físico del soluto y del solvente. La solución siempre tendrá un solo estado físico que vendrá dado por el solvente, siendo este el componente más abundante.

Tipos de soluciones de acuerdo a la cantidad de soluto que contienen:

Dependiendo de la cantidad de soluto disuelto en las soluciones se pueden clasificar en:

v  Soluciones empíricas: esto es cuando se toman cantidades de soluto y solvente al azar, sin ninguna medición.

Estas a su vez se clasifican en:

Solución diluida: contiene pequeña cantidad de soluto.

Solución saturada: está en equilibrio con el soluto no disuelto.

Solución sobre saturada: contiene más soluto que el que le corresponde.

v  Soluciones valoradas: es en la que se toman cantidades fijas de soluto y  solvente en su preparación, calculadas por métodos físicos u químicos.

ETEQUIOMETRIA DE LAS SUSTANCIAS QUIMICAS

 los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.
A escala microscópica, la reacción química es una modificación de los enlaces entre átomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservación de la masa, que implica las dos leyes siguientes:

• la conservación del número de átomos de cada elemento químico
• la conservación de la carga total.

Las relaciones estequiométricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y están determinadas por la ecuación (ajustada) de la reacción.

Balance de materia.

Una ecuación química es la representación escrita de una reacción química. Se dice que está ajustada o equilibrada cuando respeta la ley de conservación de la materia, según la cual la suma de los átomos de cada elemento debe ser igual en los reactivos y en los productos de la reacción. Para respetar estas reglas, se pone delante de cada especie química un número denominado coeficiente estequiométrico, que indica la proporción de cada especie involucrada.
Por ejemplo, en la reacción de combustión de metano (CH₄), éste se combina con oxígeno molecular (O₂) del aire para formar dióxido de carbono (CO₂) y agua. (H₂O). La reacción sin ajustar será:

En esta ecuación, las incógnitas son a, b, c y d, que son los denominados coeficientes estequiométricos. Para calcularlos, debe tenerse en cuenta la ley de conservación de la materia, por lo que la suma de los átomos de cada elemento debe ser igual en los reactivos y en los productos de la reacción. En el ejemplo, para el elemento hidrógeno (H) hay 4·a átomos en los reactivos y 2·d átomos en los productos. De esta manera se obtiene un sistema de ecuaciones:

Hidrógeno: 4·a = 2·d

Oxígeno: 2·b = 2·c + d

Carbono: a=c

Obteniendo en este caso es un sistema de ecuaciones indeterminado, con tres ecuaciones y cuatro incógnitas. Para resolverlo, se asigna un valor a una de las variables, obteniendo así una cuarta ecuación, que no debe ser combinación lineal de las demás. Por ejemplo: a=1.

• Sustituyendo a=1 en la primera ecuación del sistema de ecuaciones, se obtiene d=2.
• Sustituyendo a=1 en la tercera ecuación, se obtiene c=1.
• Sustituyendo c=1 y d=2 en la segunda ecuación, se obtiene b=2.

Sustituyendo los coeficientes estequimétricos en la ecuación de la reacción, se obtiene la ecuación ajustada de la reacción:

Ésta dice que 1 molécula de metano reacciona con 2 moléculas de oxígeno para dar 1 molécula de dióxido de carbono y 2 moléculas de agua.
Al fijar arbitrariamente un coeficiente e ir deduciendo los demás pueden obtenerse valores racionales no enteros. En este caso, se multiplican todos los coeficientes por el mínimo común múltiplo de los denominadores. En reacciones más complejas, como es el caso de las reacciones redox, se emplea el método del ion-electrón.

Coeficiente estequiométrico.

Es el coeficiente de una especie química que le corresponde en una ecuación química dada. En el ejemplo anterior:

El coeficiente del metano es 1, el del oxígeno 2, el del dióxido de carbono 1 y el del agua 2. Los coeficientes estequiométricos son en principio números enteros, aunque para ajustar ciertas reacciones alguna vez se emplean números fraccionarios. Es el número de moléculas de cada sustancia.
Cuando el coeficiente estequiométrico es igual a 1, no se escribe. Por eso, en el ejemplo CH₄ y CO₂ no llevan ningún coeficiente delante.

Mezcla, proporciones y condiciones estequiométricas.

Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice:

• La mezcla es estequiométrica;
• Los reactivos están en proporciones estequiométricas;
• La reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas;

Las tres expresiones tienen el mismo significado.
En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes.
Si no en esta forma, existirá el reactivo limitante que es el que está en menor proporción y que con base en él se trabajan todos los cálculos.
Ejemplo

• ¿Qué cantidad de oxígeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dióxido de carbono?

Masa atómica del oxígeno = 15,9994.

Masa atómica del carbono = 12,0107.

La reacción es:

Para formar una molécula de dióxido de carbono, hacen falta un átomo de carbono y dos de oxígeno, o lo que es lo mismo, un mol de carbono y dos mol de oxígeno.

Despejando x:
                             
                 2·15,9994 gramos de oxigeno · 100 gramos de carbono
              
         x=-----------------------------------------------------------------------------------
                                      12,0107 gramos de carbono

Realizadas las operaciones:

x=266,41gramos de oxigeno
 

Composición porcentual  y molar:

La fórmula de un compuesto indica el número de átomos de cada elemento presente en una unidad del compuesto. A partir de la fórmula del compuesto es posible calcular el porcentaje que cada elemento proporciona a la masa total del compuesto, así poder determinar la pureza del mismo.

La composición porcentual en masa es el porcentaje en masa de cada elemento en un compuesto. La composición porcentual se obtiene al dividir la masa de cada uno de los elementos en 1 mol del compuesto entre la masa molar del compuesto y multiplicándolo por 100%.

   Mol: es un peso en gramos igual al peso molecular de la sustancia en UMAS o tantas moléculas de dicha sustancia cómo átomos hay en 12 gramos de 12C.
1 mol de átomos de un elemento es el peso atómico de ese elemento expresado en gramos.
1 mol de moléculas de un compuesto es peso molecular de ese compuesto expresado en gramos.

Una fórmula química es una combinación de símbolos y subíndices que nos indica el tipo de átomos (elementos) y número que hay de ellos en un compuesto.

• Empírica: nos indica la relación de cantidades de elementos que forman el compuesto.
• Molecular: nos indica la cantidad real de elementos de forman el compuesto.

        Reacción y ecuación química:

La reacción química se define como el proceso mediante el cual una o más sustancias (elementos o compuestos) denominadas reactivos, sufren un proceso de transformación o combinación para dar lugar a una serie de sustancias (elementos o compuestos) denominadas productos. En una reacción química se produce desprendimiento o absorción de calor u otras formas de energía.

Las reacciones químicas se representan en una forma concisa mediante ecuaciones químicas, que no es más que la representación grafica de proceso que se está llevando a cabo.