Soluciones

Al comienzo se señalo que las soluciones son sistemas homogéneos, formado por mezclas de distintas sustancias puras. Ademas estas mezclas pueden ser solidas liquidas o gaseosas.
Estos sistemas tienen una importante presencia, tanto en sistemas de materia viviente como en materia inerte y en muchos sistemas de interés técnico.
Pueden ser muy complejos cuando el numero de diferentes sustancias mezcladas es muy elevado o bien, simples como ternario y binarios.
Las sustancias presentes en sistemas simples se denominan:
Soluto :      Componente (s) que se encuentra (n) , comparativamente, en menor proporción y
Solvente :  Componente que se encuentra, comparativamente en mayor proporción.
              Sin embargo, cuando una sustancia originalmente sólida es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.
              Similarmente, cuando una sustancia originalmente gas es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.
Sistemas de Solubilidad infinita
               El soluto y el solvente se mezclan en proporciones variables, algunas veces sin limitaciones.  Los gases se mezclan entre sí sin limitaciones, los líquidos de igual polaridad o apolaridad también se mezclan sin limitaciones. Son situaciones de solubilidad infinita.       El concepto de solubilidad ya ha sido presentado con anterioridad.
Sistemas Saturados
               Las limitaciones aparecen con mucha claridad cuando se mezclan sustancia originalmente sólida o bién  originalmente gas con líquidos. Estas situaciones límites se analizan fundamentalmente usando el concepto de solubilidad  y que ahora parece oportuno volver a recordar.
              La solubilidad es la mayor cantidad de soluto, que en forma estable, puede disolverse (mezclarse) en una determinada cantidad de solvente bajo condiciones determinadas de Presión y  Temperatura.  
               Un sistema tiene la cantidad de soluto disuelta correspondiente a la solubilidad cuando no se puede disolver en mayor cantidad aún cuando haya la sustancia en su forma original en contacto con  el solvente. En estas condiciones la solución está saturada, y además hay un equilibrio entre la Sustancia original y la Sustancia disuelta. Para  que una solución se considere saturada basta que la cantidad de soluto disuelto corresponda a la solubilidad haya o no tal equilibrio.
Sistemas Sobresaturados.
            En algunas situaciones la cantidad de soluto disuelta es mayor que la que corresponde a la solubilidad ?, pero es una situación inestable y se conoce como sobresaturación.    Se obtienen llevando al sistema a la situación de saturación a alta temperatura y se baja bruscamente la temperatura. Mientras el sistema no se estabilice se encuentra en situación de sobresaturación. El sistema vuelve a la normalidad cuando se den las condiciones cinéticas para que  el soluto en exceso precipite como sólido o bién sea liberado como gas.
Sistemas Diluídos.
             Son aquellos en que la cantidad de soluto disuelto es menor que la que corresponde por la Solubilidad. Son los casos más numerosos y en torno de ellos se desarrolla el tema de Soluciones  y sus propiedades.

Relaciones fundamentales para el trabajo cuantitativo con soluciones.
              En primer lugar, para trabajar cuantitatívamente con soluciones es preciso visualizar los componentes del sistema para asignar sin confusiones  los conceptos de soluto, solvente, solución, las respectivas masas, volumenes y densidades. 

LA CONCENTRACION DE LAS SOLUCIONES
                 La forma usada para caracterizar una solución, luego de especificar el soluto y el solvente, es establecer la relación entre las cantidades de ellos.  Esta relación es laConcentración,  que implica un cuociente entre una cantidad de soluto y una cantidad de solución, o bien de solvente. Nuevamente por ser la concentración un cuociente entre magnitudes Extensivas es una magnitud Intensiva.  Se comprende el caracter intensivo de la concentración, es decir el de una magnitud propia de la solución e independiente de la cantidad de la solución, si pensamos en una bebida de fantasía que tiene siempre las mismas características (color, sabor, concentración), no importando si se adquiere en tamaño individual, mediano o familiar.  De lo dicho se infiere que la concentración las soluciones es un concepto de vastísima aplicación ligado al estudio de múltiples sistemas y procesos productivos.

PREPARACIÓN DE SOLUCIONES
                  En este punto es conveniente decir que las expresiones encerradas por marcos rojos en el gráfico de definición de unidades de concentración, además de ser la definición matemática de una determinada forma de concentración, son ecuaciones matemáticas   que pueden y deben ser operadas con las reglas del Algebra.             El alumno deberá ser capaz de despejar la variable que interese, establecer cadenas de ecuaciones etc. Además, el alumno deberá prestar especial atención al significado de cada una de las variables visualizándolas mentalmente junto al sistema que se trate en cada caso . Una vez más se insta al alumno en este curso a usar el Algebra y abandonar el uso de las reglas de tres, procedimiento mecánico que puede conducir a graves errores. 

CAMBIOS DE CONCENTRACIÓN POR VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE SOLVENTE
                      Se trata de operaciones de manejo de soluciones en que la cantidad de soluto permanece constante.
                      Cuándo a una solución se le agrega solvente, la concentración disminuye a otro valor, cuanto menor mientras mayor sea la cantidad de solvente agregado.  El proceso se llama   "dilución".
                      Si por el contrario, a una solución se le quita cierta cantidad de solvente, por evaporación, la concentración se incrementa proporcionalmente a la cantidad de solvente evaporado. La acción de aumentar la concentración por evaporación del solvente se llama "concentrar"
                      ¿Cómo se obtiene la relación que describe estos procesos?  Se expresa la cantidad de soluto al comienzo y también al final, como la cantidad de soluto se conserva se igualan las expresiones, apareciendo la relación que liga las concentraciones y las cantidades de solución, iniciales y finales.
                                                 M _i * V _i  =  M _f * V _f   

LA VALORACIÓN O TITULACIÓN
                      El análisis químico cuantitativo determina las cantidades de sustancia presentes en distintos sistemas.    Lo hace con técnicas de gravimetría, o sea el uso de métodos basados en pesar sustancias en balanzas de precisión. Con técnicas de volumetría, métodos basado en la medición de volumenes de soluciones. Con la espectroscopía, basada en métodos ópticos y electrónicos etc. Las técnicas de la Volumetría descansan fundamentalmente en las denominadas Valoración o Titulación, o sea las que determinan el valor de la concentración o el Título de una solución.
                      La Titulación o Valoración se basa en una reacción química y por lo tanto habrá tantos tipos de Titulaciones como  tipos de reacciones que sirvan a propósitos de cuantificación. Se conocen titulaciones de formación de precipitados, de formación de complejos, de ácidos con bases, de oxido reducción etc. 
                     Como la Titulación tiene propósitos cuantitativos la  estequiometría o bien la ecuación de la reacción involucrada ( con los correspondientes coeficientes estequiométricos) es el elemento fundamental del proceso.
                     Estudiaremos el método basándonos en reacciones de neutralización  de ácidos con bases y en consecuencia, la comprensión de estas reacciones por parte del alumno es fundamental. Este tipo de reacciones ya las hemos estudiado pero es importante reforzar su manejo. 
Recordemos:
           REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN DE ACIDOS CON BASES
LAS SALES ( RESULTADO DE LA REACCION DE ACIDOS + BASES )
OXÁCIDOS + BASES = SAL + AGUA
m  H⁺¹₂ N⁺ⁿ₂ O^-2_n+1  +  2 M^+m ( O H )^- _m  =   M^+m₂ ( ( N⁺ⁿ₂ O^-2_n+1 ) ^–2)_m +  2m  H₂O
Ejemplo:
3 H⁺¹₂ S⁺⁶ O ^-2₄  +  2 Al⁺³ ( O H)^-₃    = Al⁺³₂ ((S⁺⁶ O ^–2₄) ^-2)₃    +       6 H₂O
  ^{(      3 H}₂ ^{S O}₄        ^{+     2 Al ( O H)} ₃        ^{=            Al} ₂ ^{(S O}₄⁾ ₃               ^{+          6 H}₂^{O     )}
  Acido Sulfúrico   Hidróxido de Aluminio     Sulfato de Aluminio       Agua
^{HIDRACIDOS + BASES = SAL + AGUA}
  m   H⁺¹_n N ^{– n}     +       n   M^+m ( O H )^– _m      =    M^+m_n N ^{– n}_m     +       mn H ₂ O
Ejemplo:
       H⁺¹₂ S^–2     +     2 Al⁺³ ( O H ) ^-₃       =       Al ⁺³₂ S^{– 2}₃       +     6 H ₂ 0
  (     H₂ S           +       2 Al (OH )^-₃              =            Al₂ S₃          +      6 H ₂ 0      )
  Acido Sulfhídrico  Hidróxido de Aluminio      Sulfuro de Aluminio    Agua

ESTANDARIZACIÓN DE LA BASE
                            Haremos la titulación de la solución de NaOH usando ácido oxálico dihidratado,  C₂O₄H₂ x 2 H₂O, que por presentarse en estado sólido podemos cuantificar fácil, exacta y precisamente pesándolo en una balanza analítica de precisión. 
                     La reacción ácido-base o de neutralización es la siguiente:
                            C₂O₄H₂  +  2 NaOH    =    C₂O₄Na₂  +  2 H₂O         

El concepto mol y sus aplicaciones.

A esta altura de nuestro estudio reconocemos, que en la dimensión macroscópica, no hemos desarrollado las herramientas para trabajar con las sustancias desde el punto de vista cuantitativo, esto es, trabajar con cantidades (masas) definidas de las sustancias que participan en los fenómenos químicos.
                  No obstante lo expresado, cuando hablamos al comienzo del curso del Peso Relativo de los Atomos o bien del cálculo del Peso Atómico a partir de mezclas de isótopos algo muy importante avanzábamos en el sentido del trabajo cuantitativo. En efecto, cuando determinábamos aquellas magnitudes siempre estaba presente el hecho que comparábamos una misma cantidad de atomos de cada elemento.
DEFINICIÓN DE MOL
                                                 Un  Mol  es  6,023 10 ²³ unidades.
               Así el mol pasa a ser una forma adecuada de medir cantidades de partículas de la química, como recién lo dijimos, podemos medir cómodamente un mol de átomos de Vanadio o un mol de átomos de cualquier otro elemento en la balanza de una confitería.
                      Pero el Número de Avogadro de átomos es una cantidad  tan grande de átomos o bién los átomos son tan pequeños y livianos que son magnitudes que desafían  nuestra imaginación.  Según nos hizo notar recientemente un colega, si tuvieramos una hilera de 1 mol de hormigas de 1mm cada una separadas cada una de la precedente por una distancia también de 1mm, la longitud de la hilera cubriría 1,2046 10 ¹⁸ Km. Tal hilera cubriría mil doscientos setenta y ocho millones de veces la trayectoria circular de la Tierra alrededor del Sol.
NUEVA DEFINICIÓN DE PESO ATOMICO
     El Peso Atómico de un elemento ( A _r ) es la masa de un mol de átomos de tal elemento expresada gramos.
Sus unidades de medidas serán por consiguiente gramos / Mol de átomos
DEFINICIÓN DE PESO MOLECULAR
El Peso Molecular ( M _r ) de una sustancia es la masa de  un mol de moléculas de tal sustancia expresada en gramos.     
       Sus unidades de medidas serán por consiguiente gramos / Mol de moléculas
CALCULO DEL PESO MOLECULAR
         Generalizando,  si una Sustancia tiene por Fórmula   A_aB_bC_c........
A nivel submicroscópico su molécula está formada por a átomos de A, b átomos de B y c átomos de C etc...
y a nivel macroscópico el mol de moléculas está formada por a  moles de átomos de A, b  moles de átomos de B y c  moles de átomos átomos de C etc... y de allí que el Peso Molecular se calcule con la siguiente fórmula.
         M_r A_aB_bC_c........   =  a * A_r A + b * A_r B + c * A_r C +........
¿Cuánto vale el Peso molecular del Cloroformo CHCl₃? 
M_r CHCl₃   =  1 *12  + 1 * 1 + 3 * 35,5 = 119,5 g/mol
                También podemos generalizar importantes conceptos acerca de un doble significado, a nivel submicroscópico y a nivel macroscópico, de la notación química de Símbolos, Fórmulas y Ecuaciones.
                  Presentaremos este doble significado valiéndonos de representaciones gráficas para las entidades submicroscópicas y las representaciones gráficas ampliadas para los conceptos (de moles) usados  a nivel macroscópico.

 LA ECUACIÓN DE ESTADO DE LOS GASES IDEALES.

                   Para dar adecuada respuesta a la pregunta planteada es necesario averiguar las relaciones matemáticas que expresan el comportamiento de las distintas variables que determinan el estado de un sistema gaseoso.  Un sistema gaseoso se encuentra en un estado definido cuando, además de precisarse la naturaleza del gas, se conocen tres de las siguientes cuatro variables: 
n = Número de moles, V = Volumen,  P =  Presión   y   t = temperatura.

DETERMINACIÓN DE FÓRMULAS EMPÍRICAS Y MOLECULARES
Mostraremos a continuación la forma sistemática de determinar las fórmulas empíricas y las moleculares haciendo uso de los conceptos de A_r  y M_r.
ANALISIS QUÍMICO  ^___ A_r^____>  FÓRMULA EMPÍRICA  ^___M_r^___>  FÓRMULA MOLECULAR
  Composición %                          Relación en el número de Atomos             Número Exacto de átomos

Unidad 6

Propiedades fisioquimicas de las sustancias puras: tipos de enlaces, la dirección , rasgos eléctricos y características moleculares

Fortaleza del enlace: determinada por la energía que necesita este romper el enlaceàenlace covalente es el mas fuerte después lo siguen el ionico y metalico finalmente

Moleculas gigantes:1) Covalentes tridimensionalesàarreglos tridimensionales de atomos unidos por enlaces covalentesàestructura mas rigida o duraàaltos puntos de fusión y son insolubles, ej: diamante(carbón)

                              2) Covalentes bidimensionalesàred de enlaces covalentes se tejen en 2 dimensiones y propiedades similares a las tridimensionales , excepto en su dureza , estas son blandas ej: grafito(carbón), conductor de la corriente por tener un electron en el orbital p y se desplazan por la malla

                             3) Covalentes unidimensionalesàcorresponde a los polímerosàlargas cadenas de unidades conectadas por enlaces covalentes

Homopolimerosàse repiten en mismas unidades(-A-A-A-A-A-A-…-A-nveces)

Copolimerosàrepiten pero en distintas unidades(-A-B-A-B-A-B…-A-B-nveces)

àson también llamadas macromoléculas, interaccionan unas con otras

àsu fusión y solubilidad están determinadas por su fuerza de atracción entre macromoléculas, en principio son altas

àpolimeros flexiblesàdisolver o fundir con facilidad y están desordenadas lo que permite el proceso de separación de macromoléculas

àmacromoleculas rigidasàdificil de fundir y solubilizar y tienen mucha resistencia

Nota* : el proceso de ablandamiento depende de la temperatura

Ionicas: àatomos unidos por enlaces ionicosàiones positivos y negativos

             àestructuras de temperatura de fusión elevados y solo conducen la electricidad en estado fundido

             àpueden ser solubilizadas con solventes polares como en el caso del agua

Metálicas: àcorresponde a los metalesàelectropositivosàdesprenden de sus electrones de valencia formando iones positivosàelectrones al separarse se quedan alrededor de estos como un tipo de “nube” de electrones que une a los iones positivosàenlace metalico

                 àpuntos de fusión medianamente altos

                 àson dúctiles y maleables

                àbandas de conducciónàmetales mueven sus electrones de valencia de orbitales     “s” a orbitales “p” vacios

Sustancias moleculares:* formandos por moléculas que se encuentran claramente definidas(numero de atomos y elementos) y se representan mediante formulas moleculares reales

àestan unidas principalmente por enlaces covalentes

àa través de fuerzas intermoleculares se puede determinar sus propiedades fisioquimicas, si son de naturaleza eléctrica, pero no condecen la electricidad en ningún estado físico y también son malos conductores del calor.

Unidad 5 - Enlaces quimicos

Enlace quimicoàfuerza que une a los atomos para formar moléculas

                        àes un proceso de estabilizaciónà donde cada atomo intenta alcanzar la configuración electrónica del gas noble mas cercanoàintentando cumplir la regla del octeto

                        àenergia de estabilizaciónàenergia de enlaceàcorresponde a la energía liberada al formar el enlace y a la energía necesaria para romper el enlace

Electrones de valenciaàestan en los orbitales de mayor numero cuantico principal mas los que están en los orbitales con el numero cuantico principal anterior al mayor

Tipos de enlaces:àenlace ionico: cesion de electrones de parte de un ion electropositivo a un a otro electronegativo, atracción electroestática entre ellos

                            àenlace covalente: compartición de parejas de electrones entre atomos de electronegatividades similares, atracción magnética

*nota: mientras mayor sea la diferencia de electronegatividad , mayor va a ser el grado de carácter ionico y menos el carácter covalente

àenlace covalente dativo: uno de los atomos participantes del enlace es el que aporta la pareja de electrones del enlace y tiene ciertos desbalances en sus cargas eléctricas, se determina mediante: CF=electrones de valencia-(electrones no enlazados + ½ de electrones enlazantes)

Resonancia electrónicaàhabla de las varias formas que uno puede construir una configuración electrónica , siempre y cuando estas permanezcan estables

Reglas resonancia electrónica:àse desplazan electrones pero no atomos

                                                 àdeben tener misma cantidad de electrones apareados

                                               àestructuras con mayor numero de enlaces son mas contribuyentes y las estructuras con cargas son menos contribuyentes

                                              àestructuras con cargas de distinto signo son mas contribuyentes

Mecánica cuánticaàcombinacion matemática entre funciones de ondas de orbitales atomicos para dar orbitales moleculares1)àla suma de estas da origen a un orbital molecular enlazante(superposición de orbitales atomicos)(están los spines opuestos)y además existe una estabilización cuando los atamos se acercan mediante fuerzas de atracción, pero si se acerca mucho se destabilizan porque existen fuerzas de repulsión. 2)àla diferencia de estos producen un orbital molecular antienlazante, marcadas por fuerzas de repulsión, donde alcanzan su mayor estabilidad cuando estos atomos están mas separadas(spines paralelos)àruptura del enlace

Geometría molecular:

Hibridación de orbitalesàsp3à4 enlancesà109gradosàangulares, tetragonal y pirámides trigonales

                                     àsp2à3 enlacesà120gradosàplanas trigonales

                                     àspà2 enlacesà180gradosàlineales