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Como Hacer el Cálculo para Preparar Soluciones Químicas en el Laboratorio


El día de hoy vamos aprender a realizar el cálculo para saber cuántos mililitros (mL) son necesarios para preparar una solución de ácido fosfórico, esta explicación es de forma general y aplica para cualquier compuesto o soluto que queramos saber qué cantidad o volumen se necesitan para preparar una solución química a la concentración deseada.

Si quieres conocer mucho más del tema te invitamos a entrar al siguiente post donde desarrollamos de una forma practica el tema de Soluciones 

Soluciones


Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o mas sustancias
Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. El concepto de mezcla implica que sus componentes se pueden separar por métodos físicos (decantación, destilación, etc.) y el adjetivo homogénea indica que los componentes de una solución se encuentran formando una sola fase, es decir, todos sus puntos presentan iguales características, por lo tanto, no se pueden distinguir con el uso del microscopio y menos a simple vista.

Los componentes que encontramos en las soluciones son

Soluto: Es la sustancia que se disuelve. Generalmente se encuentra en menor proporción.

Solvente: Es el medio en el cual se disuelve el soluto. Generalmente se encuentra en mayor proporción y es quien determina el estado físico en el que se encuentran la solución; sin embargo, hay que anotar que el agua es el solvente universal, aun cuando este en menor proporción.

Solubilidad: Es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de solvente en condiciones de presión y temperatura determinadas (soluciones saturadas).

Factores Que Afectan La Solubilidad

Temperatura: La solubilidad de la mayoría de los sólidos aumenta con el incremento de la temperatura, lo contrario sucede en el caso de las soluciones en estado gaseoso.

Presión: Únicamente afecta a las soluciones en las que participan gases, en estos casos al aumentar la presión aumenta la solubilidad.

En la formación de soluciones, debemos tener en cuenta que las sustancias polares son solubles en solventes polares y las sustancias apolares son solubles en solventes apolares.
Las soluciones se pueden encontrar en los tres estados básicos de la materia. Ejemplos:

·         Soluciones en estado gaseoso: El aire, el cual el solvente es el N2 (concentración del 78%).
·         En estado líquido: Agua con cloruro de Sodio (NaCl).
·         En estado Sólido: Las aleaciones (acero, bronce).

Concentración

Esta no es más que la relación que existe entre la cantidad de soluto y la cantidad de solvente que hay en una solución. La concentración puede expresarse de 2 maneras: cualitativa y cuantitativa.

De forma cualitativa la concentración podemos expresarla diciendo que hay soluciones insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Las primeras son aquellas que contienen poca cantidad de soluto con relación a la cantidad del solvente. Las saturadas, en cambio, contienen la máxima cantidad de soluto que un solvente dado pueda disolver a una temperatura determinada, determinan la solubilidad de un soluto en un determinado solvente. Y por último las soluciones sobresaturadas, que se caracterizan por presentar más de la cantidad de soluto que normalmente pueda disolver a una temperatura determinada.

De forma cuantitativa podemos expresarla en unidades de concentración las cuales se clasifican en físicas y químicas.

Unidades Físicas

Estas unidades nos permiten establecer de manera más precisa la concentración de las soluciones y expresarlas en términos de porcentajes. Las unidades más utilizadas son:

%M/M =  {Masa (g) soluto / Masa (g) solución} * 100%
Se utiliza principalmente cuando el soluto y el solvente se encuentran en estado sólido.

% V/V = {Volumen (mL) soluto / Volumen (mL) solución} * 100%
Se recomienda en soluciones cuyos componentes sean líquidos.  

%M/V = {Masa (g) soluto / Volumen (mL) solución} * 100%
Se aplica en soluciones donde el soluto sea un sólido y el solvente un líquido.

Ej: Se sabe que el porcentaje en masa del yoduro de potasio KI en una disolución es del 2%. ¿Qué cantidad de KI estará disuelta en 25 g de disolución?

Lo primero que debemos hacer es identificar los diferentes elementos de la solución

Soluto KI
Solvente H2O
Solución KI al 2%

Cuando en un problema no se mencione quien es el solvente se puede asumir  que es el H2O.

Ahora procedemos a calcular los gramos de KI despejando de la formula %M/M.

  %M/M =  {Masa (g) soluto / Masa (g) solución} * 100%

Despejando:
Masa (g) soluto = (masa (g) solución * %M/M) / 100

Remplazamos valores

Masa (g) soluto = (25 g* 2) / 100

Masa (g) soluto = 0.5 g de yoduro de potasio.

DQ recomienda: Dale clic para mirar el ejemplo de porcentaje masa - masa


Unidades Químicas

-          Molaridad (M) = n / L de solución

-          molalidad (m) = n / Kg de solvente

-          Normalidad (N) = #Eq – gramos soluto / L de solución

-          Fracción Molar = n / n1 + n2  
n1: numero de moles de soluto. n2 = numero de moles solvente

Antes de expresar la concentración de una solución en unidades químicas debemos saber hallar el número de unidades químicas debemos saber hallar el número de moles (n) en una cantidad dada, con la siguiente fórmula:

n = m / M

Donde m es la masa en gramos y M es el peso molecular expresado en g/mol.

Para conocer el número de equivalente gramos (Eq-g) debemos saber calcular el peso de 1 Ep-g de cualquier sustancia aplicando:
1 Ep-g = Peso Molecular / Valencia

La valencia se calcula dependiendo el tipo de compuesto que sea el soluto. Si el soluto es un acido, la valencia viene dada por el numero de Hidrógenos. Si el soluto es una base, la valencia es el número de grupos OH. Para las sales la valencia representa el número total de cargas positivas aportadas por el catión (metal).

Para calcular el  #Eq-g debemos dividir el peso dado por el peso de 1 Eq-g.

Ej: Calcular el peso de 1 Eq-g del hidróxido de calcio Ca(OH)2

Los pesos necesarios son. H = 1, Ca = 40, O= 16.

1 Eq-g Ca(OH)2 = 74/2 = 37 g

Ej: Calcular la normalidad de una solución que contienen 72 g H3BO3, disueltos en 0.5 L de agua.

H= 1 g/mol, B = 11 g/mol, O= 16 g/mol

H3 1 g/mol *3 = 3 g/mol
B 11 g/mol * 1 = 11 g/mol
O3 16 g/mol*3 = 48 g/mol

PM = 62 g/mol

 1 Ep-g = Peso Molecular / Valencia

1 Eq-g de H3BO3 = [62 g/mol / 3]

1 Eq-g de H3BO= 20.7

#Eq -g de H3BO3 = 72 / 20.7 = 3.5 

Normalidad = # Eq -g soluto / V (litros)

N = 3.5 Eq-g / 0.5 L

N = 7.0 Normal

DQ recomienda: Dale clic para que mires el ejemplo. 

Veamos como calcular la Molaridad en una solucion quimica. 

Ej: ¿Cuál será la molaridad de una solución que contiene 64 g de Metanol CH3OH (P.M 32 g/mol) en 500 mL de solución?

Para calcular la Molaridad debemos conocer el número de moles y el volumen.

n= 64 g / 32 g/mol = 2 mol

El volumen lo demos expresar en litros, es decir, 500 mL equivalen a 0.5 L, ahora remplazamos los valores en la formula de Molaridad

M = 2 mol / 0.5 L

M= 4 Molar

Ahora de este mismo ejercicio cual es la normalidad de esta solución.

N = M * Valencia

N= 4 *1 = 4

Y de esta forma hemos encontrado la Normalidad a partir de la Molaridad.

DQ recomienda: Dale clic para mirar el ejemplo. 

Veamos otro ejercicio pero ahora calculando la molalidad de una solución.  

Ej: Calcule la molalidad de una solución preparada con 18 g de glucosa (C6H12O6) en agua hasta alcanzar un volumen de 100 mL.

Densidad del agua: 1g/mL

Moles de soluto = (18 g / 180 g/mol)= 0.1 mol

Kg de solvente: tenemos 100 mL de H2O. Debido a su densidad podemos deducir que tenemos 100 Kg de solvente.

Expresando el peso en Kg: 100 g 0.1 Kg

Ahora aplicamos la formula de molalidad:

molalidad (m) = n / Kg de solvente

Remplazamos valores

m = 0.1 mol / 0.1 Kg H2O
m = 1 molal

DQ recomienda: Dale clic para mirar el ejemplo 


Consiste en preparar una solución a una concentración deseada, a partir de otra concentración conocida. Este proceso de dilución se reliza agregando mas solvente.

Para la dilución tenemos en cuanta un estado inicial y un estado final, aplicando la formula:

C1V1 = C2V2

Donde C representa la concentración y V el volumen.

Ej: se tienen 400 mL de solución de H2SO4 al 0.5 M. Calcular la concentración obtenida si a la solución se le agregan 600 mL de H2O.

C1 = 0.5 M   V1= 400 mL  C2=?  V2 = 600 mL

En estos tipos de ejercicios no es necesario expresar el volumen en litros, lo importante aquí es que el volumen final e inicial este expresado en la misma unidad.

Aplicamos la formula:

C1V1 = C2V2

Ahora despejaos C2 y remplazamos los valores:

C2 = (0.5 M *400 mL) / 600 mL = 0.3 M.

DQ recomienda: Dale clic para mirar el ejemplo

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