Física y química en 3 º de la ESO

Molaridad de una disolución y energía en las reacciones químicas

1. Molaridad de una disolución

La molaridad es una forma de expresar la concentración de una disolución. Se define como la cantidad de moles de soluto que hay por litro de disolución. Su unidad de medida es M (molar) o moles/L.

Molaridad = moles soluto / litro de solución

Ejemplo:

En 250 mL de agua se disuelven 100 g de NaCl. Calcula la molaridad de la disolución formada:

M_Na= 23 g/mol
M_Cl= 35,5 g/mol

Solución:

1º ) Calcularemos la masa molar del NaCl: 

M_NaCl= 23 + 35,5 = 58,5 g/mol

2º ) calcularemos el número de moles que representan los 100 g de NaCl:

1 mol →58,5 g
X →100 g

X = 100/58,5 = 1,709 moles de NaCl

3º ) calcularemos la molaridad:

1,709 moles →0,25 L
X → 1 L

X = 1,709 / 0,25 = 6.836 moles

Molaridad: 6,836 M ó 6,836 moles/L

2. Energía en las reacciones químicas

Toda reacción química trae consigo un intercambio de energía con el exterior.

Dependiendo del sentido de dicho intercambio, podemos hablar de dos tipos de reacciones:

• Reacciones Exotérmicas: son aquellas reacciones que liberan energía al exterior.
• Reacciones Endotérmicas: son aquellas reacciones que absorben energía del exterior para poder producirse.

La energía intercambiada puede manifestarse en forma de calor, luz y electricidad.

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Disoluciones

  Una solución o disolución es una mezcla homogénea en la que se ve involucrado tanto un soluto, como un solvente. El soluto  corresponde a la especie química que estén en menor proporción (sin importar si es sólido, líquido o gaseoso), mientras que el solvente, el cual también puede estar presente en los tres estados materiales, es la sustancia mayoritaria de la mezcla. La mayor parte de la Química ocurre en disoluciones, por ejemplo, el aire que respiramos es una disolución gaseosa, el agua potable es una disolución líquida y las aleaciones metálicas (como los objetos de bronce) son disoluciones sólidas.

  Gran parte de esta página web se enfocará en disoluciones y nomenclatura química principalmente. Entre las disoluciones que se verán (las cuales usarán principalmente agua como solvente, por lo que se denominan acuosas) podemos destacar las ácido-base y las de óxido-reducción (REDOX). Las primeras son muy importantes ya que muchas reacciones bioquímicas (reacciones químicas que ocurren al interior de los seres vivos) ocurren entre ciertos valores de acidez, por lo cual es de vital importancia poder comprender como funciona una disolución.

  Como se dijo anteriormente, el soluto es la sustancia minoritaria y el solvente, la mayoritaria; pero ¿en qué proporción? ¿Cómo podemos determinar diferencias entre una solución y otra? Para contestar estas preguntas veremos principalmente 5 formas de calcular la concentración de soluto en disolución.

• Porcentaje masa/masa o peso/peso (% m/m o %p/p): Esta medición se enfoca en cuánta masa de soluto se disolvió en 100 gramos de disolución. Es importante destacar que la masa de disolución tiene incluida la del soluto, por lo que si se desea saber la masa de solvente involucrado, no hace falta nada más que restarle a la masa de disolución, la masa de soluto agregada. Para poder calcular esto se usa la siguiente ecuación:

% m/m = 100 x (grs. de soluto/ grs. de dislución)

• Porcentaje masa/volumen o peso/volumen (% m/v o % p/v): Esta forma de medir concentración es similar a la anterior, solo que aquí se usa el volumen de la disolución, lo que facilita el cálculo en disoluciones líquidas. Como en el punto precedente, el volumen de disolución tiene incluido tanto el volumen del solvente como el volumen del soluto. Pero, si necesitamos tanto la masa del soluto como su volumen, ¿cómo podemos relacionar esos valores? ¡Exacto! usamos la densidad del soluto, de esa manera podemos obtener ambos valores. La ecuación que se utiliza para poder calcular este parámetro (% m/v) es similar a la anterior:

% m/v = 100 x (grs. de soluto/ mL de disolución)

• Porcentaje volumen/volumen (% v/v): Siguiendo la lógica anterior, corresponde a la cantidad de mL (mililitros) de soluto en 100 mL de disolución. Es útil cuando se realiza una disolución líquido-líquido (por ejemplo etanol en agua o hexano en benceno). Como en las veces anteriores, la ecuación necesaria para realizar los cálculos sigue la misma tendencia:

% v/v = 100 x (mL de soluto/ mL de disolución)

  Si bien estos parámetros nos sirven para determinar cuan concentrado se encuentra el soluto en la disolución, son poco utilizados, ya que mayormente se usa la concentración molar (ver punto siguiente). Nótese que, a excepción del % m/v, las mediciones anteriores no poseen unidades (% m/v se mide en g/mL, similar a la densidad). Ahora veremos las últimas dos maneras de medir la concentración: la molaridad y la molalidad. Pero antes de eso, tenemos que tener claro un concepto fundamental en química, el mol.


Un mol corresponde a una unidad que mide cantidad de materia, de similar manera como una docena mide 12 unidades de lo que sea o un trío hace referencia a tres objetos. La cantidad de magteria que mide un mol fue determinada por el químico italiano Amadeo Avogadro. Segun avogadro, un mol correspondía a:

1 mol = 6,022 x 1023 partículas

  Pero, ¿por qué es tán importante esta unidad? Su importancia radica principalmente en que un átomo no tiene masa suficientemente grande para que se le pueda medir, por lo cual era preciso tener una unidad que sirviera para poder diferenciar a las diferentes sutancias respecto a su masa. Esta es la razon por la cual que las masas atómicas y moleculares (denominadas en general como masas molares) de las sustancias se miden en g/mol, es decir, cuantos gramos de sustancias existen en 1 mol de dicha sustancia (ejemplo: un mol de átomos de oxígeno pesa 15,99 grs., por lo cual su masa atómica es de 15,99 g/mol). Ahora cuando se hable de que existe, por ejemplo, 5 moles de una cierta sustancia ya sabrán que esto quiere decir que existen más de 3 cuatrillones de partículas de dicha sustancia!

  Teniendo todo esto en mente, es factible ahora empezar a ver los dos tipos de concentraciones que involucran cantidad de materia:

• Molaridad o Concentración Molar (M): La molaridad se define como la cantidad de materia contenida en 1 Litro de disolución. Al igual que en los parámetros anteriores en donde se veía involucrado el volumen, en el volumen de disolución va incluído el volumen del soluto sumado con el del solvente (solo para disoluciones acuosas). En ejercicios, cuando aparezca algo similar a esto: [X], querrá decir concentración molar de X. Para calcular la molaridad se usa la siguiente ecuación:

M = nro. de moles de soluto/ Lts de disolcuión

  Otra manera de poder calcular la concentración molar es a partir de los gramos del soluto involucrado, debido a que:

Nro. de moles de soluto = grs. de soluto/ masa molar de soluto

  Lo que implica que:

M = grs. de soluto/ (masa molar de soluto x Lts de disolución)

• Molalidad o Concentración molal (m): La molalidad tiende a causar confusión pro el nombre tan similar con ma molaridad y porque ambas involucran cantidad de materia, pero lo que miden es completamente distinto. La molalidad mide la cantidad de soluto contenido en 1 Kg de solvente. Para calcularse puede usarse cualquiera de las siguientes dos ecuaciones, tododependera de los datos que se tengan al momento de hacer los cálculos:

M = nro. de moles de soluto/ Kg de solvente

M = grs. de soluto/ (masa molar de soluto x Kg de solvente)

  En una disolución, las propiedades macroscópicas de la materia se ven afectadas, éstas son: la presión de vapor, el punto de congelación y el punto de ebullición. Pero, ¿cómo vaían? La presión de vapor (presión ejercida por una sustancia líquida  en contra del aire al momento de volatilizarse) se ve afectado cuando se le incorpora un soluto a una cierta sustancia, formando una disolución. El soluto impide que la sustancia inicial volatilice a la misma velocidad, por lo cual tenderá a hacerlo a mayor temperatura. Ahora cuando la presión de vapor se iguala con la presión atmosférica (presión ejercida por el aire sobre los cuerpos en la Tierra), nos encontramos en presencia de una ebullición y la temperatura a la que se alcanzó ese estado se denomina, por ende, punto o temperatura de ebullición. Como se necesita más temperatura para que una cierta sustancia se volatilice, se necesitará más temperatura tambien para poder alcanzar el punto de ebullición. Ahora si enfriamos dicha sustancia, habrá un momento en el que pasara del estado líquido inicial a un estado sólido, más ordenado y rígido. Cuando esto sucede nos encontramos en presencia de una congelación y, como es de suponer, la temperatura a la que esto ocurre se denominará punto o temperatura de congelación. En el estado sólido, los átomos se encuentran ordenados de una cierta forma característica, es por eso que cuando tenemos una disolución, el soluto "molestará" a los átomos iniciales impidiéndoles alcanzar la forma normal y van a tener que adecuarse a una nueva forma en donde se incluya al soluto. Es por eso que es necesario hacer descender más la temperatura de lo que normalmente sería necesario para poder congelar la disolución. Para poder calcular estos cambios se usan las siguientes ecuaciones, para el punto de congelación y el punto de ebullición respectivamente:

Cambio Pto. congelación = Kc x molalidad x i (Kc = Constante crioscópica,es característica de cada sustancia usada como solvente)

Cambio Pto. ebullición = Ke x molalidad x i (Ke = Contante ebulloscópica, es característica de cada sustancia usada como solvente)

  En las ecuaciones anteriores, i se conoce como factor de Van't Hoff, el cuál, de manera sencilla para nuestro caso, se calculará a partir del número de iones que quedan en disolución, es así como, por ejemplo, si una disolución presenta HI (ácido yodhídrico) su i = 2 (deja dos iones en solución), mientras que para el caso del ácido sulfúrico (H2SO4), su factor de Van't Hoff (i) será de 3 (libera dos protones y un ión sulfato, 3 iones totales).

  Tengan en mente que:

Cambio Pto. congelación = Pto. congelación solvente puro - Pto. congelación disolución

Y que:

Cambio Pto. ebullición = Pto. ebullición disolución - Pto. ebullición solvente puro

  Algunos factores que afectan la solubilidad de alguna sustancia en un solvente determinado son principalmente: la presión, la temperatura y la naturaleza del soluto y del solvente.

  La presión solamente afecta a disoluciones en donde se ven involucradas sustancias gaseosas (ya que los líquidos y sólidos son incompresibles, o sea, no se pueden comprimir). Por lo general, a medida que se aumenta la presión aumenta la solubilidad de una sustancia gaseosa en disolución, debido a que se le fuerza a meterse más en la sisolución y se le hace más facil al solvente "hacer su trabajo".

  La temperatura afecta a todos los sistemas y, generalmente, a medida que se aumenta la temperatura se aumenta la solubilidad (en caso de los líquidos y sólidos) y se disminuye para el caso de los gases. Esto se debe a que las moléculas y átomos del soluto en cuestión adquieren más energía cinética (se mueven más rapido) lo que favorece la probabilidad de que puedan ser solvatados por el solvente, en caso de que el soluto sea sólido o líquido . En cambio, los gases, al tener más energpia cinética sus partículas, éstas escapan de la disolución, desfavoreciendo el contacto con el solvente y, por ende, disminuyendo su solubilidad.

  La naturaleza del solvente y del soluto no carece de importancia ya que si el soluto es polar, solamente se disolverá en solventes polares (como el agua o el etanol), mientras que si el soluto es apolar, solo lo hará en solventes apolares (como el hexano o el benceno). La misma situación ocurre desde el punto de vista del solvente, éste solo disolverá a los de su misma "clase" (polar disuelve a polar y apolar disuelve a apolar).