Disolucións e as súas propiedades

VICERREITORÍA DE ESTUDANTES, CULTURA E FORMACIÓN CONTINUA Unha colección orientada a editar materiais docentes de calidade e pensada para apoiar o traballo do profesorado e do alumnado de todas as materias e titulacións da universidade Grao en Enxeñaría Forestal e do Medio Natural Química Ana María González Noya Departamento de Química Inorgánica Facultade de Ciencias 2 Disolucións e as súas propiedades 9788498 879926 Disolucións e as súas propiedades 2 Ana María González Noya Departamento de Química Inorgánica Facultade de Ciencias Dep. Legal: C -2013 ISBN 978-84-9887-992-6 © Universidade de Santiago de Compostela, 2013 Esta obra atópase baixo unha licenza Creative Commons BY-NC-SA 3.0. Calquera forma de reprodución, distribución, comunicación pública ou transformación desta obra non incluída na licenza Creative Commons BY-NC-SA 3.0 só pode ser realizada coa autorización expresa dos titulares, salvo excepción prevista pola lei. Pode acceder Vde. ao texto completo da licenza nesta ligazón: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/legalcode.gl Deseño Unidixital Servizo de Edición Dixital da Universidade de Santiago de Compostela Edita Vicerreitoría de Estudantes, Cultura e Formación Continua da Universidade de Santiago de Compostela Servizo de Publicacións da Universidade de Santiago de Compostela Imprime Unidixital UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 3 MATERIA: Química TITULACIÓN: Grao en Enxeñaría Forestal e do Medio Natural PROGRAMA XERAL DO CURSO Localización da presente unidade didáctica Bloque A. CONCEPTOS BÁSICOS E DISOLUCIÓNS Unidade didáctica 1. Conceptos básicos Unidade didáctica 2. Disolucións e as súas propiedades Unidade didáctica 3. Sistemas coloidais Bloque B. DISTINTOS TIPOS DE EQUILIBRIO QUÍMICO Unidade didáctica 4. Equilibrio químico Unidade didáctica 5. Ácidos e bases Unidade didáctica 6. Reaccións de precipitación Unidade didáctica 7. Reaccións de oxidación-redución Bloque C. FERTILIZANTES E QUÍMICA AMBIENTAL Unidade didáctica 8. Fertilizantes inorgánicos Unidade didáctica 9. Química ambiental Bloque D. QUÍMICA ORGÁNICA Unidade didáctica 10. Química orgánica: xeneralidades, isomería e reaccións UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 5 ÍNDICE Presentación ....................................................................................... 7 Os obxectivos ..................................................................................... 7 Os principios metodolóxicos ............................................................ 8 Os contidos básicos .......................................................................... 10 1. Disolucións: tipos ........................................................................ 10 2. A auga ......................................................................................... 10 2.1. Estrutura e enlace…………………………………………… . 11 2.2. Enlace de hidróxeno………………………………………….. 11 2.3. Propiedades físicas…………………………………………… 12 3. Proceso de disolución……. ......................................................... 13 4. Factores que inflúen na solubilidade………………………….. .... 14 5. Disolucións de gases en líquidos: lei de Henry ........................... 14 6. Formas de expresar a concentración .......................................... 15 7. Propiedades coligativas das disolucións ..................................... 15 8. Disolucións de electrólitos e non electrólitos .............................. 16 Actividades propostas... .................................................................... 17 1. Actividades de coñecementos previos e motivación .................. 17 2. Actividades de desenvolvemento e consolidación ...................... 17 2.1. Resolución de exercicios…..………………………………. .. 17 2.2. Realización de experimentos de laboratorio……………… . 17 3. Actividades de síntese e xeneralización……. ............................. 18 3.1. Sección «Que queres saber?» no Campus Virtual........... 18 3.2. Resolución de problemas………………… .......................... 19 Avaliación da unidade didáctica...................................................... 19 Anexos……………………… ................................................................ 21 Anexo 1. Cuestións previas…………..………. ................................ 21 Anexo 2. Cuestións e problemas de disolucións…………..…… ..... 22 Anexo 3. Cuestións e exercicios de consolidación..………. ........... 24 Bibliografía……………… .................................................................... 25 UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 7 PRESENTACIÓN Esta unidade didáctica Disolucións e as súas propiedades forma parte da materia de formación básica Química, que se imparte no primeiro curso do grao en Enxeñaría Forestal e do Medio Natural. A materia, que é anual, está organizada en catro bloques, pertencendo esta unidade n.º 2 ao primeiro deles. Despois de estudar algúns conceptos básicos e terminolóxicos da química na unidade didáctica anterior (unidade n.º 1), neste tema utilizaremos estes coñecementos para abordar o estudo das disolucións e as súas propiedades. A maioría dos materiais con que interactuamos na vida cotiá son mesturas, moitas das cales son disolucións. Así, o aire que respiramos ou a auga do mar son exemplos de disolucións. Este tema é unha parte fundamental da materia por dúas razóns: 1. A meirande parte dos procesos químicos que serán estudados nos bloques B e C teñen lugar en disolución. 2. O dominio dos cálculos para a preparación de disolucións de fertilizantes e outros compostos é de grande importancia para o traballo no laboratorio e para o posterior desempeño do labor profesional da enxeñeira ou do enxeñeiro forestal e do medio natural. Ademais, faremos fincapé nos fenómenos relativos ás aplicacións das disolucións, o que nos permitirá entender por que cando vai frío en inverno debemos engadir anticonxelante á auga do sistema de refrixeración dun automóbil, ou botar sal nas estradas para evitar a formación dunha capa de xeo. Esta unidade didáctica está deseñada para ser desenvolvida en 11 horas (5 sesións de clases teóricas, 2 de seminarios e dúas prácticas de laboratorio de 2 horas cada unha). OS OBXECTIVOS Obxectivos xerais da materia  Adquirir os coñecementos de química necesarios que permitan a interpretación dos procesos que ocorren na natureza;  coñecer as propiedades das disolucións e das reaccións químicas;  expor e resolver problemas de equilibrios químicos en disolución: ácido-base, oxidación-redución e precipitación;  comprender as disolucións reguladoras e o seu papel fundamental no mantemento do valor do pH do medio;  coñecer os principios xerais da fertilización de solos;  coñecer as propiedades químicas dos contaminantes ambientais;  comprender a estrutura e propiedades físicas e químicas dos principais grupos funcionais orgánicos;  dispor de coñecementos e habilidades experimentais suficientes para utilizar correcta e seguramente os produtos e o material máis 14 - UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades 4. Factores que inflúen na solubilidade Explicaranse os tres factores dos cales depende a solubilidade: interacción soluto-disolvente, temperatura e presión. O principal condicionante da solubilidade é a natureza polar/apolar de disolvente e soluto, pois determina a miscibilidade dos compoñentes. Revisarase o comportamento de solutos iónicos e covalentes en auga. Verase o efecto da temperatura na solubilidade de sólidos e gases. Figura 6. Representación do proceso de disolución dun sal (soluto iónico) en auga A presión non afecta á solubilidade de sólidos e líquidos, pero é determinante para os gases, como se discutirá na seguinte epígrafe. 5. Disolución de gases en líquidos: lei de Henry Presentarase a lei de Henry, que permite explicar como a solubilidade dun gas nun líquido aumenta proporcionalmente co incremento da presión. Comentarase que como consecuencia deste fenómeno xorden as burbullas de cava ao quitar a rolla á botella, ou implica que as persoas mergulladoras deban subir paseniñamente despois dunha inmersión. UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 15 Figura 7. Lei de Henry: S = KHP 6. Formas de expresar a concentración Unha vez analizado o proceso de solubilidade chega o momento de falar da concentración das disolucións. Aínda que de xeito cualitativo se pode falar de disolucións diluídas ou concentradas, é necesario expresar a concentración de forma cuantitativa. Presentaranse as diferentes formas de expresar a concentración: porcentaxe en masa/peso(volume) dun compoñente, fracción molar, molaridade, molalidade, normalidade e ppm. Este coñecemento permitirá ter unha linguaxe común para ser capaces, por exemplo, de preparar unha disolución no laboratorio ou entender a etiqueta de composición dunha botella de auga de consumo. 7. Propiedades coligativas das disolucións Neste apartado recóllense aquelas propiedades físicas comúns a todas as disolucións e que as diferencian do disolvente puro. Trátase da diminución da presión de vapor, a elevación do punto de ebulición (ascenso ebulioscópico), a diminución do punto de conxelación (descenso crioscópico) e a presión osmótica. Unha vez definidas as propiedades coligativas, comezarase por presentar a lei de Raoult. Esta explica que a presión de vapor dunha disolución cun soluto non volátil experimenta un abatemento, con respecto á do disolvente puro, que é proporcional á concentración do soluto na disolución. Este feito permitirá a xustificación do ascenso ebulioscópico e o descenso crioscópico. Amosaranse, con exemplos, algunhas das aplicacións prácticas Figura 8. Visualización da lei de Raoult 16 - UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades destas propiedades: utilización de anticonxelante nos radiadores dos vehículos, uso de sal para evitar o xeo nas estradas, etc. Figura 9. Diagrama de fases da auga pura e en presenza dun soluto Presentarase, por último, a presión osmótica. Falarase do proceso de osmose e definirase a presión osmótica dunha disolución, explicando como é proporcional á concentración desta expresada en molaridade. Como consecuencia do efecto da presión osmótica, poderanse clasificar as disolucións como isotónicas, hipertónicas ou hipotónicas. Detallaranse algunhas das aplicacións prácticas relacionadas con esta propiedade, como a determinación de masas moleculares de solutos non volátiles (proteínas...), a diálise, a preparación de auga potable a partir da auga do mar, etc. 8. Disolucións de electrólitos e non electrólitos As propiedades coligativas dependen do número de partículas de soluto en disolución. Por iso, clasificaranse os solutos como electrólitos (fortes ou débiles) e non electrólitos. Explicarase o diferente comportamento deles en disolución acuosa. O termo electrólito débil permite introducir o concepto de grao de disociación, posteriormente tamén de utilidade no estudo do equilibrio. Detallarase a modificación que experimentan as expresións das propiedades coligativas para os electrólitos, introducindo o factor de Van´t UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 17 Hoff. Atendendo a isto amosarase, por exemplo, a importancia que ten elixir un tipo de sal ou outro para botar nunha estrada cando neva. ACTIVIDADES PROPOSTAS 1. Actividades de coñecementos previos e motivación Traballarase co alumnado un cuestionario ao comezo da unidade, co fin de acadar información sobre os seus coñecementos previos e incentivar unha actitude positiva cara á aprendizaxe dos contidos propostos (anexo 1). 2. Actividades de desenvolvemento e consolidación 2.1. Resolución de exercicios Propóñense dous boletíns de exercicios (anexo 2), graduados en dificultade e accesibles ao alumnado, en que se traballen cuestións de conceptos básicos sobre a auga, cálculos de disolucións que impliquen o uso de formas de expresar a concentración de diferente complexidade e resolución de problemas relacionados coas diferentes propiedades coligativas. 2.2. Realización de experimentos de laboratorio a) 1.ª sesión práctica de dúas horas: preparación de disolucións. Con isto preténdese que o alumnado ―aprenda a manexar unha técnica imprescindible no laboratorio e indispensable para a realización de prácticas posteriores; ―adquira destreza no manexo da balanza e a utilización de pipetas e outro material volumétrico. Prepararanse tres tipos de disolucións: (a) disolución 0,1 M de NaOH (a partir dun reactivo sólido), (b) disolución 0,1 M de HCl (a partir dunha disolución comercial concentrada) e (c) preparación dun fertilizante NPK en disolución, como unha aplicación ao campo de estudo deste alumnado. b) 2.ª sesión práctica de dúas horas: determinación da condutividade de disolucións acuosas. Os obxectivos deste experimento son ―que o alumnado razoe sobre a relación entre a condutividade dunha disolución e a natureza do soluto que contén; ―que se familiarice coa medida de condutividades, que lle permitirá estudar a contaminación por sales en augas de rega. 18 - UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades Faranse medidas a auga destilada, auga da billa, disolución 0,1 M de ácido acético (electrólito débil, preparada a partir de vinagre comercial), disolución 0,1 M de NaCl (electrólito 1:1) e disolución 0,1 M de CaCl2 (electrólito 1:2). Estes experimentos aparecen desenvolvidos no manual de prácticas (Bermejo, M.R. et alii) recomendado na bibliografía e dispoñible na biblioteca. 3. Actividades de síntese e xeneralización 3.1. Sección «Que queres saber?» no Campus Virtual Proponse que o alumnado participe na aula virtual da materia, indicando cales dos seguintes tópicos deberían ser tratados nunha clase teórica:  Na procura da auga doce: osmose inversa.  Antonio Casares e as augas mineiro-medicinais de Galicia. Figura 10. Antonio Casares: pai da Química en Galicia (O Día do Científico Galego 2012, que anualmente organiza A Real Academia de Ciencias de Galicia, réndelle homenaxe no bicentenario do seu nacemento)  Os problemas na agricultura por abuso dos sales anticonxelantes.  Separación de mesturas.  A auga: ciclo, formas dispoñibles na Terra, tipos e calidades. UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 19 Figura 11. A auga e o noso planeta Tamén ten a oportunidade de propoñer outros temas relacionados coa unidade didáctica, diferentes dos aquí mencionados, que poidan ser do seu interese. 3.2. Resolución de problemas Proponse a resolución das cuestións e problemas recollidos no anexo 3. AVALIACIÓN DA UNIDADE DIDÁCTICA A avaliación levarase a cabo ao comezo da unidade didáctica (inicial), ao longo do seu desenvolvemento (procesual) e ao seu remate (final).  A avaliación inicial terá lugar na primeira sesión de clase. Realizarase a través da formulación dunha serie de cuestións relativas ás disolucións, recollidas no anexo 1. Servirá para recoller información sobre os coñecementos previos sobre o tema obxecto de estudo.  A avaliación procesual levarase a cabo de maneira continuada por medio das actividades realizadas polo alumnado tanto dentro como fóra da aula. Valorarase a participación activa do alumnado nas sesións de seminario e o esforzo realizado para a resolución dos problemas propostos. Estas sesións serán de grande utilidade para valorar o grao de asimilación dos contidos e as dificultades atopadas. Tamén se valorará a actitude e a aptitude nos 20 - UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades experimentos realizados no laboratorio, así como a capacidade para responder ás cuestións formuladas.  A avaliación final terá en conta a procesual e completarase cunha proba escrita. Esta proba conterá cuestións e problemas relacionados cos contidos teóricos e coas prácticas de laboratorio. Será necesario superar esta proba para acadar a avaliación positiva da unidade didáctica. UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 21 ANEXOS Anexo 1. Cuestións previas 1. Unha disolución é unha mestura homoxénea ou heteroxénea? 2. É o aire que respiramos unha disolución? 3. A auga que empregamos no consumo doméstico é unha disolución? 4. O leite é unha disolución? 5. É o xeo máis denso que a auga? 6. É máis doado disolver un terrón de azucre nunha cunca de café quente ou fría? 7. Por que cando quentas un cazo con auga se forman burbullas? 8. Por que á auga do radiador dun vehículo se engade anticonxelante? 9. Por que cando neva se bota sal nas estradas? 10. Por que se empregan salmoiras para a conservación de froitas e verduras? 22 - UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades Anexo 2. Cuestións e problemas de disolucións 1. Indica e xustifica se as seguintes afirmacións son verdadeiras ou falsas: a) a auga é unha molécula covalente que se presenta como gas; b) a auga é unha molécula polar que pode disolver compostos iónicos, c) a auga é unha molécula polar, polo que non pode disolver moléculas apolares como o osíxeno, d) os azucres, sales e proteínas disólvense en auga. 2. Dada unha disolución ao 10 % de sacarosa (C12H22011); cantos gramos de azucre hai que engadir a 0,2 kg desa disolución para facer que a porcentaxe de azucre suba ao 20 %? 3. Cantos mL de peróxido de hidróxeno, coñecido como auga osixenada, do 30 % (peso/volume), en auga, son necesarios para preparar 8,5 mL ao 3 % (peso/volume)? 4. Determina a fracción molar de cada substancia nunha disolución que contén 36,0 g de auga e 46 g de glicerina, C3H5(OH)3. 5. Disólvese unha mostra de 11,7 g de NaCl nunha cantidade suficiente de auga para obter 0,25 litros de disolución. Despois dilúese esa disolución ata que ocupa 1 litro. a) Cantos moles de cloruro de sodio hai na disolución non diluída?; b) Cantos moles de cloruro de sodio hai na disolución diluída?; c) Determina a molaridade das dúas disolucións. 6. Calcula a) a molaridade e b) a molalidade dunha disolución de ácido sulfúrico de densidade 1,198 g/cm3 que contén 27 % de ácido sulfúrico en masa. 7. Unha disolución que se preparou disolvendo 20 g de ácido sulfúrico puro en 80 g de auga ten unha densidade de 1,143 g/cm3. Expresa a concentración do ácido sulfúrico que hai nesa disolución: a) en porcentaxe en peso; b) en molaridade; c) en normalidade; d) en molalidade; e) en fracción molar de ácido sulfúrico. 8. Disólvense 200 L de cloruro de hidróxeno (medidos a 15C e 768 mmHg) en 600 g de auga. A disolución resultante ten unha densidade de 1,17 g/cm3. Calcula a concentración deste ácido en porcentaxe e a súa molaridade. 9. Que volume dunha disolución de alcol (etanol) ao 95 % ( = 0,809 g/cm3) haberá que empregar para preparar 150 mL de disolución de alcol ao 30 % ( = 0,957 g/cm3)? 10. A cantos g/L equivale unha concentración de 0,01g de vitamina B12 en 100 mL? Cal será este valor en ppm? 11. Se se disolven 20 g de urea, CO(NH2)2, que é un non electrólito, en 250 g de auga, cal é o punto de conxelación da disolución? UNIDADE DIDÁCTICA II. Disolucións e as súas propiedades - 23 12. Cal será a 17C a presión osmótica dunha disolución acuosa que conteña 1,75 g de sacarosa (C12H22O11) en 150 mL de disolución? 13. Unha disolución de NH3 0,0100 molal está ionizada un 4,15 %. Cal será o punto de conxelación desta disolución? 14. Unha disolución de 20 g de HF en 1 kg de H2O conxélase a -1,92C. Cal é o grao de ionización, é dicir, a porcentaxe das moléculas que están ionizadas? A ionización do HF pódese representar así: HF(ac)  H+(ac) + F- (ac)