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El agua
El agua
•El agua en el planeta
El agua es, sin duda,uno de los componentes principales de la biosfera, se le encuentra ampliamente distribuida y cubre algo más del 70% de la superficie de nuestro planeta. Cerca del 95% de ella se encuentra como agua salada formando parte de los océanos, mientras que el agua dulce continental no supera el 5% en promedio. La mayor parte del agua dulce se encuentra congelada en los polos, mientras que sólo un 1% del agua de la Tierra se encuentra disponible en forma líquida, distribuyéndose en ríos, lagos y napas subterráneas.
Aunque te resulte sorprendente sólo un 1% de toda el agua que existe en el planeta está disponible para ser utilizada por nosotros y su distribución a nivel global es bastante heterogénea existiendo extensas zonas del planeta que presentan problemas de disponibilidad de agua potable actualmente. Esta situación probablemente se verá agravada por el calentamiento global y la contaminación de napas subterráneas y otras fuentes de agua de beber. Según algunos estudios del tema, en un futuro no lejano el acceso a agua limpia para beber podría ser causa de conflictos tan serios como los que se presentan por el acceso a recursos energéticos.
Si lo llevamos a la vida cotidiana, piensa que una familia promedio gasta 25.000 litros de agua cada mes de los que sólo el 5% son destinados a beber y cocinar, el resto es gastado en nuestra higiene personal, lavado riego, etc. Te parecerá increíble pero el 40% de toda el agua que utilizas en tu hogar se gasta cada vez que descargas el estanque de tu inodoro. Sería bueno que reflexionaras respecto de estos números y pensaras cómo puedes ayudar a ahorrar agua.
• El ciclo del agua en la tierra.
Aun cuando hemos hablado de porcentajes fijos para los distintos tipos de aguas, estas no están quietas en nuestro planeta, todo lo contrario, están constantemente convirtiéndose unas en otras gracias a las propiedades físicas del agua.
Producto de la enorme superficie del mar, millones de metros cúbicos de agua se evaporan desde los océanos diariamente, condensándose debido a las condiciones de presión y temperatura reinantes en la atmósfera, para formar las nubes. Son estas mismas condiciones atmosféricas las que permiten que el agua regrese en forma de precipitaciones, ya sea como lluvia o nieve.
El agua de la lluvia, así como aquella que proviene de los deshielos fluye hasta ríos y lagos, llegando en ultimo término al mar. Otra parte del agua proveniente de las precipitaciones se infiltra en los suelos incorporándose a las napas de aguas subterráneas. La humedad presente en los suelos es liberada, en parte, como transpiración incorporándose de este modo también a este ciclo que se realiza de manera continua. Procesos como el comentado calentamiento global podrían alterar el desarrollo de este ciclo y poner en peligro la disponibilidad de agua para beber en amplias regiones de nuestro planeta.- La naturaleza química del agua.
Debido a la diferencia de tamaño y de electronegatividad de los átomos de hidrógeno y oxígeno, la molécula de agua es una molécula polar. Esta polaridad explica las fuerzas de atracción que mantienen unidas a las moléculas de agua, formando enlaces moleculares de hidrógeno, más conocidos como puentes de hidrógeno.
La distribución de cargas eléctricas en la molécula de agua se debe a que el oxígeno atrae con más fuerza los electrones que participan de los enlaces, generando cargas parciales positivas sobre los hidrógenos y una carga parcial negativa sobre el propio oxígeno.
Esta característica que determina que el agua sea una molécula polar permite la formación de puentes de hidrógeno, es decir, enlaces intermoleculares entre las cargas parciales contrarias de oxígenos e hidrógenos de moléculas vecinas. Esta característica del agua explica sus elevados puntos de ebullición y de fusión, y su extraordinaria eficacia como solvente de sustancias polares y iónicas.
La capacidad de formar puentes de hidrógeno no es exclusiva del agua; solventes como etanol o ácidos orgánicos como el acético, también pueden formarlos, tanto entre sí como con la propia agua, aun cuando ninguno de estos compuestos forma uniones de hidrógeno tan fuertes como las formadas por el agua.
• Los estados físicos del agua
El agua,al igual que muchos otros compuestos,puede experimentar cambios de estado pasando desde la fase sólida a la fase líquida y luego,a la fase gaseosa cuando es calentada.Este proceso implica una variación en la interacción de las moléculas de agua y en el consecuente ordenamiento de estas. En el estado sólido, la agitación molecular es mínima y como producto de las fuerzas de cohesión, las moléculas se encuentran ordenadas y cercanas unas de otras. En el estado líquido, las moléculas se encuentran más alejadas entre sí, en comparación con las moléculas de un sólido y, por tanto, las fuerzas de cohesión que existen entre ellas son más débiles. Las moléculas vibran con mayor libertad que en los sólidos, permitiendo que sufran pequeñas traslaciones en el interior del líquido. Los líquidos,por tanto,pueden escurrir o fluir con notable facilidad, no ofrecen resistencia a la penetración y toman la forma del recipiente que los contiene. Sus moléculas, al igual que las de los sólidos amorfos, no se encuentran distribuidas en forma ordenada.
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Propiedades Físicas del Agua y los Líquidos
Propiedades Físicas del Agua y los Líquidos
Como vimos, las moléculas de un líquido poseen cierta movilidad y aquellas que llegan a la superficie del mismo pueden escapar hacia la fase vapor si cuentan con la energía suficiente para vencer las fuerzas de atracción. Si consideramos un sistema cerrado, pensemos que tapamos el recipiente que contiene el líquido: las moléculas que escapan se acumulan sobre el líquido, chocan con las paredes del recipiente y en ocasiones, regresan al líquido. Cuando la cantidad de moléculas que escapan del líquido es igual a la cantidad de moléculas que regresan a él, estamos frente a una condición de equilibrio dinámico. Bajo estas condiciones la presión que ejerce el gas (fase vapor) sobre la interfase gas-líquido corresponde a la presión de vapor del líquido.
La presión de vapor depende de las fuerzas de cohesión y es propia de un determinado líquido a una determinada temperatura. Por ejemplo, la presión de vapor del agua y del etanol a 50º Celsius es de 92,51 y 222,2 mm de mercurio, respectivamente. Para esta misma temperatura, el etanol se evaporará con mayor rapidez que el agua, ya que posee una presión de vapor mayor. La presión de vapor aumenta con la temperatura debido al aumento de la energía cinética de las moléculas. Si la temperatura de un líquido se eleva hasta el punto en que la presión de vapor de este se equilibra (se hace igual) a la presión atmosférica, el líquido hierve.
La temperatura a la que un líquido hierve se denomina punto de ebullición y corresponde a un valor constante para un determinado líquido si se la mide a presión constante (se considera la presión normal a nivel del mar, 760 mm de mercurio.
Al igual que el punto de ebullición, que marca el paso de la fase líquida a vapor, el punto de fusión, que corresponde al paso de sólido a líquido es característico para cada sustancia, ya que depende de las fuerzas de atracción entre las moléculas. Debido a que el paso de sólido a líquido no implica un cambio significativo de volumen, la presión no tiene un rol preponderante en la temperatura de fusión de un sólido.
El agua presenta puntos de ebullición y de fusión superiores a la mayoría de los líquidos, debido a la intensidad de las fuerzas intermoleculares generadas por los puentes de hidrógeno. A nivel del mar, el punto de ebullición del agua es 100º C y el de fusión es 0º C. Si aplicamos los conocimientos aprendidos respecto a la presión de vapor, podemos entender que el agua hierva a menor temperatura a grandes altitudes, ya que al incrementar la altura, disminuye la presión. Esta condición es tan extrema que los montañistas que suben a alturas por sobre los seis mil metros no pueden llevar alimentos que requieran cocerse a alta temperatura, ya que el agua hierve muy por debajo de los 100º C.
Otra propiedad física que es característica de una sustancia es la densidad. Esta corresponde a la cantidad de materia, expresada en gramos, contenida en una unidad de volumen.
En el caso del agua, la masa de 1,0 mL de agua a 4º C es de un gramo, por tanto, su densidades de 1,0 g/mL.En la naturaleza, existen líquidos y sólidos que poseen desidades mayores y menores que el agua. Todas aquellas substancias que son menos densas que el agua flotarán sobre esta, mientras que las de mayor densidad se hundirán.
Cuando una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido su volumen aumenta y por tanto, su densidad disminuye: Por esta razón, en prácticamente la totalidad de los compuestos, su fase sólida no flota sobre su fase líquida. Por el contrario, el agua al solidificarse aumenta su volumen disminuyendo su densidad respecto al agua a 4º C. Esta característica única del agua es vital para el mantenimiento de la vida en el planeta. Si el agua se contrajera al solidificarse, el hielo que se forma sobre lagos y océanos se hundiría hasta el fondo donde el calor del sol no podría alcanzarlo para derretirlo. Este proceso continuo llevaría al congelamiento de las grandes masas de agua, condición en la cual casi ningún organismo acuático podría sobrevivir.
La cohesión y la adhesión son fuerzas que afectan a los líquidos. La cohesión queda de manifiesto cuando, por ejemplo, se unen dos gotas de un líquido para formar una sola gota; y la adhesión puede ser observada experimentalmente si tratamos de despegar dos placas de vidrio humedecidas puestas una sobre la otra.
Como producto de estos fenómenos se producen dos propiedades de los líquidos, la tensión superficial y la capilaridad.
La tensión superficial corresponde al comportamiento de una delgada capa superficial del líquido, la cual se comporta como si fuera una membrana de material elástico, debido a que las fuerzas de cohesión de las moléculas que están en el interior del líquido se atraen entre sí en todas direcciones, menos en la superficie. El agua presenta una elevada tensión superficial, la que explica que las gotas de agua tengan forma esférica, así como también el que pequeños objetos más densos que el agua puedan sostenerse sobre ella. Este es el caso de una aguja, que si es depositada cuidadosamente sobre el agua no se hunde, o el de insectos que asombrosamente son capaces de caminar sobre el agua sin siquiera mojarse las patas.
• Grado de pureza y usos del agua; evaporación y destilación de mezclas líquidas. Los procesos naturales y artificiales de purificación.
Los procesos naturales asociados al ciclo del agua, involucran la evaporación y condensación, proceso mediante el cual el agua se libera de las sustancias disueltas en ella. Al precipitar sobre el suelo (lluvia) y filtrarse a través de él, nuevamente disuelve las sales presentes, arrastrándolas a los cursos de agua y finalmente al mar.
Para la utilización del agua con fines industriales o de bebida, se han ideado sistemas de purificación similares a los presentes en la naturaleza, de modo de obtener un agua sin sólidos en suspensión y relativamente blanda. En el caso del consumo humano se requiere, además, que esté libre de patógenos. El agua así tratada se denomina, agua potable. En el proceso de potabilización del agua de ríos, lagos y napas subterráneas se considera una serie de tratamientos físico-químicos que finalmente entregan un agua adecuada para el consumo humano:
1.- Tamizado: Consiste en el filtrado grueso del agua, de modo de eliminar ramas, hojas y otras impurezas de gran tamaño, así como sedimentos gruesos. Este procedimiento puede no ser requerido en el caso que el afluente no presente este tipo de elementos.
2.- Precloración: Este paso busca eliminar microorganismos presentes en el agua, que podrían reproducirse en los tanques de floculación y sedimentación alterando la calidad del agua.
3.- Floculación: Consiste en agregar al agua sulfato de aluminio e hidróxido de calcio, los que al reaccionar entre sí, forman hidróxido de aluminio, compuesto que atrapa las partículas en suspensión y las hace precipitar.
4.- Decantación o sedimentación: Es el depósito de los sólidos en el fondo del estanque y el traspaso del agua a un nuevo estanque o piscina.
5.- Filtración: consiste en eliminar las partículas en suspensión que aún persisten. Con este fin, el agua es pasada a través de filtros, generalmente de arena, los que retienen las partículas aún presentes.
6.- Finalmente, el agua es clorada para garantizar su pureza bacteriológica y distribuida a través de la red pública.
Otra forma de purificar el agua y separarla de contaminantes o sales disueltas en ella es la destilación. Este proceso consiste en calentarla a ebullición en un recipiente y recoger los vapores, mediante un dispositivo de enfriamiento, de modo que al condensarse, el agua vuelva a su estado líquido, pero ahora libre de los solutos que tenía disueltos. Este método extremadamente eficiente en lo que a la remoción de sales se refiere, solo puede utilizarse para requerimientos menores, ya que el consumo energético asociado es muy alto. Normalmente, se emplea para producir aguas libres de sales (aguas destiladas), para usos en el área farmacéutica y en investigación.
Aguas duras
Aguas que presentan una alta concentración de sales minerales que contienen Mg+2y Ca+2.La capilaridad
consiste en el ascenso y descenso de líquidos por tubos muy delgados, conocidos como tubos capilares. Cuando un líquido moja las paredes del tubo capilar, como es el caso del agua, asciende debido a la adhesióny su superficie libre forma una curvatura llamada menisco cóncavo. En el caso que el líquido no moje las paredes del tubo capilar, como es el caso del mercurio, por su gran cohesión, desciende y su superficie libre forma un menisco convexo.Capilaridad
Ascenso espontáneo de un líquido por el interior de un tubo delgado (capilar). La capilaridad depende de las atracciones existentes entre sus moléculas y las interacciones entre las moléculas y las paredes del tubo de vidrio.Condensación
Fenómeno en el que un elemento o compuesto pasa del estado gaseoso al estado líquidoDensidad
La masa de una determinada sustancia contenida en una unidad de volumen. Normalmente,se expresa en gramos por centímetro cúbico.Los cuerpos más densos que el agua se hunden en esta, mientras que los menos densos flotan en ella.Destilación
Proceso que permite separar sustancias líquidas aprovechando las diferencias en sus puntos de ebullición.Disolución
Mezcla homogénea de dos o más sustancias. Es equivalente a Solución.Enlace covalente
Enlace en que dos átomos comparten dos electrones.Evaporación
Fenómeno en el que un elemento o compuesto pasa del estado líquido al estado gaseoso.Masa molar
Masa en gramos de un mol de átomos o moléculas de una sustancia.Mezcla heterogénea
Los componentes individuales permanecen físicamente separados y pueden ser identificados como tales.Mezcla homogénea
La composición de la mezcla es la misma en todas las regiones de la disolución. Los elementos que la componen son indistinguibles.Mol
Cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos o moléculas) como átomos hay en 12 gramos del isótopo del carbono-12.Molalidad (m)
Número de moles de soluto disuelto en un kilogramo de solvente.Molaridad (M)
Número de moles de soluto disuelto en un litro de solución.Molécula polar
Molécula que posee un momento bipolar.Normalidad (N)
Número de equivalentes gramos de soluto disueltos en un litro de solución.Número de Avogadro
Número de partículas en un mol, 6,022 x x1023Presión osmótica
Es la presión que se debería aplicar para evitar que un líquido fluya a través de una barrera semipermeable desde una solución menos concentrada a una más concentrada.Puente de hidrógeno
Tipo especial de interacción dipolo-dipolo,que se establece entre un hidrógeno unido a un átomo muy electronegativo y otro átomo electronegativo de una molécula vecina.Punto de ebullición
Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión atmosférica.Punto de fusión
Temperatura en la cual coexisten en equilibrio,las fases sólida y líquida.Solvente
Componente que se encuentra en mayor cantidad en una solución.Tensión superficial
Fuerza de cohesión entre las moléculas de la superficie de un líquido. Cantidad de energía que se requiere para extender o aumentar la superficie de un líquido por unidad de área.Solvente
Componente que se encuentra en mayor cantidad en una solución.Soluto
Componente que se encuentra en menor cantidad en una solución.Solubilidad
Cantidad máxima de soluto que se puede disolver en una determinada cantidad de disolvente a una temperatura dada.
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Contaminación de las aguas
Contaminación de las aguas
Los sistemas de desagüe de las ciudades actuales arrojan a los cursos de agua toneladas y toneladas de materia fecal, que estimulan la proliferación de organismos patógenos ocasionando la contaminación biológica de las aguas. Esta contaminación, sumada a los detergentes y otros desechos tóxicos vertidos al drenaje domiciliario, constituyen las aguas servidas. Las industrias, por su parte, vierten a los cursos de agua, como resultado de sus procesos productivos, sustancias orgánicas y metales pesados que alteran las características de salinidad y pH. Muchos de estos contaminantes son altamente tóxicos y pueden acumularse en los organismos vivos, a través del proceso de bioacumulación. Este proceso consiste en la concentración de los contaminantes al pasar de un eslabón a otro en la cadena trófica. Pensemos en el caso de que los contaminantes sean vertidos al mar, condición muy frecuente en nuestro país. En este caso, el fitoplancton absorbe los metales pesados y compuestos orgánicos tóxicos, los que son transferidos al zooplancton cuando este lo come. Cuando los peces ingieren el zooplancton, los contaminantes pasan a ellos, pero como el número de organismos es mucho menor, la concentración de los contaminantes aumenta. Cuando las aves marinas consumen los peces, se convierten en los depositarios finales de los contaminantes acumulando altas concentraciones de ellos durante su vida. Otro gran problema lo constituyen los fertilizantes y los detergentes ricos en fosfatos, que al disolverse en las aguas continentales, promueven el crecimiento descontrolado de algas y plantas . Este proceso se denomina eutroficación y es extraordinariamente dañino en cursos de aguas menores, como esteros lagunas y lagos, donde la invasión de algas y plantas acuáticas limita las posibilidades de desarrollo de peces y otros organismos.
Un efecto no menor es la alteración de la temperatura del agua, debido a descargas de aguas calientes a ríos y lagos, provenientes de enfriadores de plantas de celulosa, refinerías, etc. La incorporación de agua caliente aumenta la temperatura del agua, lo que disminuye la solubilidad del oxígeno, produciendo la muerte de los organismos aerobios que habitan en el curso de agua.• Plantas de tratamiento de aguas residuales
Las plantas de tratamiento consisten, en general, en una primera etapa o tratamiento primario en el que se eliminan todos los sólidos de gran tamaño, mediante tamizado, al pasar el agua a través de rejas de hierro. Luego, el agua es conducida a estanques donde por decantación, una parte de la materia sólida tanto orgánica como inorgánica precipita.
Un tratamiento secundario, en que mediante un proceso de aireación y el uso de microorganismos aeróbicos se descompone la materia orgánica remanente. Dependiendo del tipo de planta, los lodos producidos durante este proceso son bombeados nuevamente a los tanques de aireación para completar el proceso de digestión de la materia orgánica. El agua resultante es sometida a un nuevo proceso de sedimentación y está en condiciones, previa desinfección con cloro, de ser vertida a cursos de agua naturales.
El tratamiento terciario, necesario para la eliminación total de los contaminantes químicos, no siempre se realiza debido a los altos costos. Este considera la eliminación de compuestos nitrogenados, fosfatos y metales pesados.
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Disoluciones Químicas
Disoluciones Químicas
Nota: Los textos con fondo
corresponden al módulo electivoEn la naturaleza, la materia puede presentarse como sustancias puras, sean elementos o compuestos, o como mezclas de los mismos.- Mezclas: La gran mayoría de todo lo que vemos corresponde a mezclas de elementos y compuestos. Podemos distinguir mezclas naturales, como las rocas, el aire atmosférico, el petróleo, etc. y mezclas sintéticas: aleaciones de metales, detergentes, bebidas, etc. Las mezclas son sistemas constituidos por dos o más componentes, pudiendo ser homogéneas o heterogéneas, dependiendo de si están formadas por solo una fase o más de una fase, respectivamente.
En el caso de las mezclas heterogéneas generalmente somos capaces de distinguir visualmente sus componentes, como es el caso del vinagre y el aceite en un aderezo de ensalada o una mezcla arena agua. En otros casos, el tamaño de las partículas no nos permite distinguir con facilidad un componente del otro. Dependiendo del tamaño de las partículas del soluto, podemos distinguir suspensiones (>10-5 cm), como es el caso de los antibióticos para niños, y coloides, cuando el tamaño es entre 10-5 y 10-7. En ambos casos, las partículas pueden ser vistas con ayuda de un microscopio y pueden ser separadas de la solución por métodos físicos.Las disoluciones, por el contrario, son mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación. Están formadas por una sola fase y sus propiedades químicas y físicas, así como su composición, son iguales en cualquier punto del sistema. El componente de mayor cantidad se llama normalmente solvente o disolvente, mientras que el otro recibe el nombre de soluto. Las disoluciones pueden ser gaseosas sólidas o líquidas. Para los efectos del estudio de la química, las disoluciones de mayor interés son las de sólidos en líquidos y dentro de estas, las más importantes, sin lugar a dudas, son las disoluciones acuosas. Es en solución acuosa donde ocurren la mayoría de las reacciones químicas en la naturaleza, incluyendo las reacciones que se desarrollan al interior de nuestras células.La formación de las soluciones y por tanto, la solubilidad de determinados solutos en sus respectivos solventes, depende de la competencia entre las interacciones moleculares soluto-soluto y soluto-solvente. Cuando las segundas se imponen sobre las primeras, el soluto se disuelve pasando a la solución. En general, los solventes polares son adecuados para disolver compuestos polares o iónicos, mientras que los solventes apolares disuelven mejor compuestos apolares.
En el caso de la disolución de una sal iónica en el agua, un solvente polar, las moléculas de agua interaccionan neutralizando las cargas de los componentes del sólido cristalino iónico, como es el caso de la sal común (NaCl). Serán los extremos parcialmente negativos del agua sobre el oxígeno los que neutralizarán la carga positiva del sodio, mientras que la carga parcial positiva sobre el hidrógeno del agua, neutralizará la carga negativa del cloro.
Aquellas soluciones que tienen cantidades de soluto muy pequeñas y lejanas al máximo posible se denominan diluidas. El agua de los ríos o el agua mineral que tomamos son ejemplos de soluciones diluidas. Aquellas soluciones que contienen una cantidad mayor de solvente sin llegar al máximo tolerado se denominan concentradas. El agua de mar, o una bebida gaseosa pueden ser ejemplos de tales soluciones. Por último una solución que ha incorporado el máximo de soluto posible, se dice que está saturada. Bajo determinadas condiciones experimentales, es posible disolver mayor cantidad de soluto en un determinado solvente; en este caso, la solución resultante se denomina sobresaturada. Esta última puede lograrse disolviendo un soluto en caliente y enfriando lentamente la solución. Las soluciones sobresaturadas son inestables y el exceso de soluto fácilmente precipita, pasando a ser soluciones saturadas.
La solubilidad de los solutos depende de varios factores , uno de ellos es la temperatura. Para el caso de la disolución de solutos sólidos en agua, la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura en casi todos los casos. El sulfato de sodio y el de litio constituyen excepciones a la regla, siendo más solubles a bajas temperaturas. Algunas sales tienen una gran diferencia de solubilidad dependiendo de la temperatura de la solución. Un caso interesante para nuestro país es el del nitrato de potasio y de sodio, componentes del salitre y que pueden ser purificados mediante cristalización diferencial, ya que al disolverlos en caliente y enfriar la solución cristalizan prácticamente puros, mientras que las demás sales permanecen en solución.
Cuando se trata de disoluciones de gases en agua, ocurre lo contrario y al aumentar la temperatura la solubilidad del gas disminuye. En general, el agua no es un buen solvente para los gases y la gran mayoría de ellos se disuelven pobremente en ella. Son una excepción a esa norma, aquellos gases que pueden reaccionar con el agua. Se cuentan entre ellos, el amoniaco y el dióxido de carbono; este último, producto de desecho de la respiración de nuestras células. En la sangre, el dióxido de carbono viaja unido a la hemoglobina, pero además, una parte de él se encuentra como ácido carbónico disuelto en el plasma, permitiendo un mejor transporte y la estabilización del pH de la sangre.
Otro factor que tiene un efecto distinto en la solubilidad de sólidos y gases es la presión. Mientras su efecto es escaso en la solubilidad de sólidos y líquidos en agua, es extremo respecto de la solubilidad de los gases en agua. En general, la solubilidad de un gas aumenta al aumentar la presión. Un ejemplo cotidiano lo constituyen las bebidas gaseosas; en ellas, el dióxido de carbono ha sido agregado a una presión superior a la atmosférica y escapa vigorosamente cuando el envase es abierto.• Concentración de las soluciones.
Los modos más frecuentes de expresar la concentración de las disoluciones son los siguientes:
– Molaridad (M): Es la cantidad de soluto en unidades mol por litro de solución. Por lo tanto, la unidad de la molaridad es mol/L, aun cuando generalmente se simboliza solo por M. Por ejemplo, cuando decimos que una solución de cloruro de sodio en agua tiene una molaridad de 2 mol/L, o simplemente que es 2M, estamos diciendo que esa solución en particular contiene 2 moles de NaCl por cada litro de solución.
– Porcentaje peso-peso (p/p): Cantidad de solutos en gramos por 100 gramos de solución.
– Porcentaje peso-volumen (p/v): Cantidad de solutos en gramos por 100 mL de solución.– Porcentaje volumen-volumen (v/v): Cantidad de soluto en mL por 100 mL de solución.
Las concentraciones expresadas en gramos son útiles desde el punto de vista operacional, ya que implican medidas directas de masa o volumen de los solutos. Por ejemplo, si quisiéramos preparar una solución de ácido sulfúrico (líquido) en agua y desconociéramos su densidad o su peso molecular, podríamos preparar una solución al 10% v/v solo midiendo el volumen adecuado de ácido. Como las reacciones ocurren equivalente a equivalente (mol a mol) y no gramo a gramo, en términos estequiométricos, las concentraciones molares son más útiles.
– Molalidad (m): Número de moles de soluto disuelto en un kilogramo de solvente.
– Normalidad (N): Número de equivalentes gramos de soluto disueltos en un litro de solución. Tanto la molaridad como la molalidad se basan en la masa molar del soluto. Este valor deriva del concepto de mol, el que corresponde a la cantidad de sustancia que contiene el número de Avogadro de partículas de esa sustancia. El número de Avogadro, es el número de átomos de carbono que hay en 12 g (masa o peso atómico) del isótopo 12 del carbono. En la actualidad, se acepta que este valor corresponde a 6.022045 x 1023 partículas, aun cuando, por comodidad, generalmente se redondea a 6.022 x 1023. Nótese que la definición está basada en un número fijo de cualquier tipo de partículas, por tanto podemos hablar con la misma libertad de 1 mol de átomos de helio, He, como de un mol de moléculas de oxígeno, O2. Cada mol, sea cual sea el átomo o molécula que consideremos, contendrá el mismo número de partículas, variando eso sí la masa, la que depende de la naturaleza de las partículas. El concepto de mol, junto al número de Avogadro, nos permitirán calcular el peso real de un átomo o de una molécula, ya que el peso atómico (PA) y el peso molecular (PM) hacen referencia al peso en gramos de 6.022 x 10 23 átomos o moléculas contenidos en un mol de unos u otras respectivamente.
• Propiedades coligativas de las soluciones.
Una solución formada por un solvente y un soluto no volátil presenta propiedades muy particulares, que resultan del hecho que solo el solvente puede evaporarse. Estas propiedades están dadas por el tipo de solvente y por el número de partículas de soluto en la disolución, y se conocen como propiedades coligativas. Dentro de este grupo de propiedades, podemos consignar descenso de la presión de vapor del solvente, aumento en el punto de ebullición, descenso en el punto de congelación, aumento de la presión osmótica.
Descenso de la presión de vapor del solvente: A una temperatura determinada, la presión del solvente en una solución es menor que la presión de vapor del solvente puro. Dicha disminución es directamente proporcional a la fracción molar del solvente. Este comportamiento se conoce como ley de Raoult y puede ser explicado si consideramos que el soluto no volátil disuelto ocupa posiciones en toda la solución, incluso en la superficie; a este nivel, las moléculas de soluto no volátil disminuyen la cantidad de moléculas de solvente que pueden alcanzar la superficie y por tanto, evaporarse. Esto conlleva a la disminución de la presión de vapor.Como ya vimos anteriormente, el punto de ebullición de un líquido corresponde a la temperatura a la que la presión de vapor del líquido se iguala a la atmosférica. Como en una solución, la presión de vapor está disminuida habrá que calentar a mayor temperatura la solución para lograr equiparar la presión atmosférica. El aumento del punto de ebullición respecto del solvente puro es proporcional a la concentración molal de soluto. Los cambios, aunque evidentes, no son de cuantías elevadas y por ejemplo, una solución de cloruro de sodio 1 molal hierve a solo 1 grado más que el agua pura.
Cuando se disminuye la temperatura de una solución de características similares se aprecia una disminución o descenso del punto de congelación. Este descenso es numéricamente más notorio y por ejemplo, para la misma solución de NaCl 1 molal el punto de congelación baja a –3,7º C.
Una aplicación práctica de esta propiedad coligativa es el derretimiento de la nieve caída sobre las carreteras. En las ciudades donde nieva, se echa sal en las calles. Al mezclarse con el hielo (agua sólida), este se funde, debido a que el punto de congelación del agua disminuye.Presión osmótica: Si ponemos en contacto una solución de un soluto no volátil con el solvente puro, a través de una membrana semipermeable que solo deje pasar las moléculas de solvente, este se moverá espontáneamente hacia la solución. La presión que deberíamos aplicar sobre la solución para impedir el paso de solvente a través de la membrana, corresponde a la presión osmótica, la que se simboliza por la letra griega pi.
Como hemos visto, la presión osmótica depende del número de moléculas y no de la naturaleza ni el tamaño de las mismas. En esto se basan los organismos vivos para acumular grandes cantidades de moléculas de glucosa, sin sufrir los desastrosos efectos de la presión osmótica. Si una célula de nuestro hígado acumulara glucosa como tal, los millones de moléculas de azúcar producirían tal diferencia de concentración entre el medio intra y extracelular que arrastrarían grandes cantidades de agua al interior de la célula produciendo su ruptura. Las células de nuestro hígado solucionan este problema acumulando glucógeno, una macromolécula formada por cientos de unidades de glucosa, ya que cada molécula de glucógeno tiene el mismo efecto respecto a la presión osmótica que una molécula de glucosa.
• Disoluciones ácidas, básicas y amortiguadoras.
Desde los comienzos de la química, tanto ácidos como bases han sido reconocidos en virtud de sus propiedades características. Los ácidos tienen un sabor agrio, como el ácido cítrico presente en el jugo del limón, o el ácido acético presente en el vinagre. De hecho, la palabra ácido proviene de la palabra latina acidus, que significa agrio. Estas substancias tienen también la propiedad de cambiar el color del papel tornasol a rojo y de reaccionar con algunos metales, como el magnesio o el zinc, desprendiendo hidrógeno gaseoso. Las bases, por el contrario, tienen un sabor amargo y se sienten resbalosas al tacto. Cambian el color del papel tornasol a azul y no reaccionan con metales desprendiendo hidrógeno. Ambos tipos de compuestos en solución acuosa conducen la electricidad, es decir, son electrolitos.
• Concepto de pH Como hemos visto la acidez o basicidad de una determinada solución dependerá de la mayor o menor concentración de iones H+ u OH–. Luego, si la concentración de iones H+ es mayor que la de iones OH–, la solución es ácida. En cambio, si la concentración de los iones OH– es mayor que la de los iones H+, es básica.
Para facilitar la expresión de la concentración de H+ en solución, se introduce el concepto de pH, que corresponde al logaritmo negativo de la concentración de iones H+.pH = – log [ H +] pH < 7 –> solución ácida
pH = 7 –> solución neutra
pH > 7 –> solución básica
El pH de una solución puede ser reconocido experimentalmente por medio de un indicador ácido base. Este es un compuesto que, según el medio en que se encuentre, sea ácido o básico, adquiere una coloración característica. Se trata en general de sustancias orgánicas, específicamente ácidos orgánicos débiles que tienen un color diferente de su base conjugada. El papel tornasol, utilizado habitualmente para la determinación del pH , es un papel filtro embebido en una mezcla de indicadores.
• Soluciones amortiguadoras
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Cuadro Sinóptico
Cuadro Sinóptico
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 1
Como producto de su elevada tensión superficial, el agua es capaz de soportar sobre su superficie objetos de mayor densidad que la propia, siendo de dominio común que algunos insectos, como el zapatero, pueden incluso caminar sobre el agua sin hundirse.
¿Como podría usted explicar, en términos moleculares, el fenómeno de la tensión superficial y en especial, lo intensa esta resulta en el caso del agua?:
La respuesta esta asociada con las fuerzas intermoleculares que experimentan las distintas moléculas de agua en un recipiente. Una molécula cualquiera al interior del recipiente tiene moléculas vecinas en todos los sentidos, las que, a través de sus puentes de hidrógeno, la “jalan” en todas las direcciones posibles. Por el contrario, las moléculas de la superficie solo son jaladas hacia abajo y hacia los lados, es decir, estas atracciones intermoleculares tienden a unir fuertemente entre sí a las moléculas de la superficie y jalarlas hacia el líquido. El resultado es la formación de una verdadera película elástica sobre el líquido, capaz de soportar objetos de mayor densidad que el agua. Esta es una propiedad que poseen todos los líquidos, pero que se manifiesta en mayor grado en el caso del agua, por la intensidad de las uniones intermoleculares que forma, debido al tamaño de la molécula, el ángulo de enlace y la diferencia de electronegatividad del hidrógeno y el oxígeno.
Pregunta Nº 2
Muchas substancias, entre ellas el agua, pueden presentarse en más de un estado, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura. Para ninguno de nosotros es una novedad que el agua pueda pasar del estado líquido al gaseoso (vapor) al ser calentada a presión atmosférica, ya que lo experimentamos diariamente al hervir agua para el té.
Pero, ¿Qué condiciones requeriríamos para que un cubo de hielo se evaporara sin dejar escapar ni una gota de agua? Elabore su respuesta basándose en el diagrama de fases mostrado en la figura.
La respuesta es sencilla si se interpreta de manera correcta el diagrama de fases del agua. En él se muestra el estado en que se encuentra el agua para una determinada condición de presión y temperatura. Como es de esperar, una línea horizontal trazada a 1 atmósfera de presión (760 mm de mercurio) corta la línea de interfase sólido-líquido a los 0ºC (temperatura de fusión del hielo) y la línea de interfase líquido-vapor a los 100ºC (temperatura de ebullición del agua). Si se mueve mentalmente la línea horizontal a presiones mayores, la temperatura de ebullición del agua sube, tal como ocurre en una olla a presión. Si, ahora, movemos la línea hacia abajo, la temperatura de ebullición del agua disminuye, tal como lo experimentamos en la alta montaña. Volviendo sobre la pregunta, para que el hielo (agua sólida) pase a vapor sin pasar por la fase líquida, es decir, el agua sólida sublime, se requiere encontrarse en un valor de presión por debajo de las 0,006 atmósferas.
Pregunta Nº 3
El siguiente gráfico representa las curvas de solubilidad de dos sales que se presentan en la naturaleza como una mezcla:
Ambas sales son sólidos cristalinos blanquecinos y en estado sólido son completamente indistinguibles cuando se encuentran mezclados. Al diluirlos en agua, forman una solución incolora.
Frente a la necesidad de separar ambas sales, ¿Qué estrategia propondría usted?
Como se puede apreciar en el gráfico, la sustancia B presenta una solubilidad similar tanto a bajas como a altas temperaturas, mientras que la sustancia A presenta una mucho mayor solubilidad a altas temperaturas. Gracias a esta diferencia en las solubilidades, es posible precipitar de manera diferencial ambas sales. De esta manera, ante la imposibilidad de separar las sales en estado sólido, nuestra solución es disolver la mezcla en agua a 90ºC y enfriarla hasta alrededor de 50ºC; de esta manera, la mayor parte de la sal A precipitará, mientras casi la totalidad de la sal B permanecerá en solución.
Pregunta Nº 5
El siguiente esquema muestra un aparato construido con la finalidad de poner de manifiesto la presión osmótica. El recipiente exterior contiene una solución diluida de sacarosa (azúcar común), mientras que el recipiente interior contiene una solución concentrada de sacarosa. El recipiente interior está cerrado por su base por una membrana semipermeable que solo permite el paso de agua y no de sacarosa.
¿Qué ocurre con el nivel de agua en la tubuladura superior del recipiente interno después de transcurridos varios minutos de armado el aparato?.
Si se ha incorporado correctamente el concepto de presión osmótica la respuesta a esta pregunta resulta casi obvia, ya que deberíamos esperar que el líquido del contenedor externo fluya a través de la membrana semipermeable para intentar compensar la diferencia de concentración. Como resultado de este movimiento de solvente, debería elevarse el nivel del líquido en la tubuladura superior.
El siguiente esquema ilustra de manera más clara la situación. Tenga en cuenta que la presión osmótica corresponde a la presión que usted debería ejercer sobre el compartimiento que contiene la solución concentrada, para evitar que fluya solvente desde el compartimiento que contiene la solución diluida.
