Solutions

University Chemistry II

Spring 2006

Instructor: Dr. Sarah A. Green

Office: Chem Sci. 607

Phone: 487-2048

Email address: sgreen@mtu.edu

Office hours: Wednesday 1:00–3:00 pm

Class time: MWF 11:05-11:55 Place: DOW 641

Lab Supervisor: Lorri Reill y, Chemical Sci. 508B, lareill y@mtu.edu ; 7-2044

Learning Center Coordinator: Lois Blau, Chem Sci. 206A lablau@mtu.edu; 7-2297

Textbook: Chemistry: The Central Science, 10th edition, by Brown, LeMay, and Bursten.

Week Dates Chapter Topic

1 Jan 9-13 13 Solutions

2 Jan 16-20 14 Chemical Kinetics

3 Jan 23-27 15 Chemical Equilibrium

4 Jan 30-Feb 3 16 Acid-Base Equili bria

5 Feb 6-8 17 No class Friday: Winter Carnival

6 Feb 13-15 17, Review

EXAM 1 Feb 15, 6:00 pm 13-16 No class Friday, Feb 17

7 Feb 20-24 18 Environmental Chemistry

8 Feb 27-March 3 19 Thermodynamics

BREAK March 6-10

9 March 13-17 20 Electrochemistry

10 March 20-22 Review

EXAM II March 22, 6:00 pm 17-20 No class Friday, March 24

11 March 27-31 21 Nuclear Chemistry

12 April 3-7 22 Nonmetals

13 April 10-12 23 Metals

EXAM III April 12, 6:00 pm 21-23 No class Friday, April 14

14 April 17-21 25 Organic/Biochem

FINAL EXAM: Wednesday, April 26 from 10:15 am - 12:15 pm

This schedule is subject to modification. Any changes will be announced in class and posted to

the class via WebCT.

Solutions

Capítulo 13

Propiedades de las

Soluciones

Tomado de http://www.chemistry.mtu.edu/pages/courses/files/ch1120-sgreen/

Adaptado al español y corregido por Prof. Julio Alberto Clavijo Penagos

Bogotá, Colombia, 2010.

Chemistry, The Central Science

Theodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.;

Bruce E. Bursten and Catherine J. Murphy

Solutions

Soluciones

• Una solución es una mezcla

homogénea de dos o más substancias

puras.

• En una solución, hay un componente

que está simepre en mayor proporción

que los otros, y se le llama solvente.

Los demás componentes, que se

distribuyen dentro del solvente, se

llaman solutos.

Solutions

Ejemplos de soluciones

Solutions

Cómo se forma una solución?

Los iones son rodeados por

el solvente, por eso se dice

que hay solvatación.

Si el solvente es agua, se

habla de hidratación.

Esta asociación ocurre por

fuerzas de interacción ion-

dipolo.

Solutions

El proceso de solución

Se puede considerar que

una solución ocurre en

tres etapas:

1. Separación de las

moléculas de soluto.

2. Separación de las

moléculas del solvente,

para crear ‘huecos’.

3. Formación de nuevas

interacciones entre soluto y

solvente, es decir,

mezclarlos.

Solutions

La energía que se

requiere para formar

una solución se llama

entalpía de solución,

DHsoln, y puede ser

positiva o negativa.

DHsoln = DH1 + DH2 + DH3

DHsoln (MgSO4)= -91.2 kJ/mol --> exotérmica

DHsoln (NH4NO3)= 26.4 kJ/mol --> endotérmica

Entalpía involucrada en el proceso de

solución

Solutions

Entalpía involucrada en el proceso de

solución

The enthalpy

change of the

overall process

depends on DH for

each of these steps.

Inicio

Fin Fin

Inicio

Proceso Exotérmico Proceso Endotérmico

Solutions

Why do endothermic processes

sometimes occur spontaneously?

Some processes,

like the dissolution

of NH4NO3 in water,

are spontaneous at

room temperature

even though heat is

absorbed, not

released.

Solutions

Enthalpy Is Only Part of the Picture

Entropy is a measure of:

• Dispersal of energy in the system.

• Number of microstates (arrangements) in the system.

b. has greater entropy, is the favored state

(more on this in chap 19)

Solutions

Entropy changes during dissolution

Each step also involves a

change in entropy.

1. Separation of solute

particles.

2. Separation of solvent

particles to make

‘holes’.

3. Formation of new

interactions between

solute and solvent.

Solutions

SAMPLE EXERCISE 13.1 Assessing Entropy Change

In the process illustrated below, water vapor reacts with excess solid sodium

sulfate to form the hydrated form of the salt. The chemical reaction is

Does the entropy of the system increase or decrease?

Solutions

Disolución o Reacción?

• Una solución es un cambio físico, por lo que el soluto se

puede recuperar evaporando el solvente.

• Si se evapora el solvente y no se recupera el mismo

soluto, la sustancia no se disolvió sino que reaccionó y

quedó luego disuelto.

Ni(s) + HCl(aq) NiCl2(aq) + H2(g) NiCl2(s)secar

Solutions

Tipos de Soluciones

• Solubilidad S

Es la máxima cantidad

posible de soluto que

se puede disolver en

una cnatidad de

solvente, a la

temperatura dada.

Se expresa en moles

de soluto sobre litros

de solución, mol/L.

Solutions

Tipos de Soluciones

• Solución Saturada

El Solvente tiene ya

disuelta la máxima

cantidad posible de

soluto a la

temperatura dada.

Hay sólido sin disolver

en contacto, en

equilibrio dinámico,

con la solución

saturada.

Solutions

• Solución Insaturada

El solvente tiene

disuelta una cantidad

de soluto menor a la

máxima posible a la

temperatura dada.

No hay soluto sin

disolver.

Tipos de Soluciones

Solutions

• Sobresaturada

El solvente tiene disuelta una cantidad de soluto

mayor a la que es normalmente possible disolver a la

temperatura dada. Generalmente, se logra calentando.

Estas soluciones son inestables; al agregar un “cristal

semilla ”, una impureza, o golpear el vaso, ocurre la

cristalización.

Tipos de Soluciones

Solutions

Degree of saturation

Unsaturated, Saturated or Supersaturated?

How much solute can be dissolved in a solution?

More on this in Chap 17

(solubility products, p 739)

Solutions

Factores que afectan la solubilidad

• Generalmente se dice que “similar disuelve

similar”:

Sustancias polares tienden a disolverse en solventes

polares.

Sustancias apolares tienden a disolverse en solventes

apolares.

Solutions

Factors Affecting Solubility

The stronger the

intermolecular

attractions between

solute and solvent,

the more likely the

solute will dissolve.Example: ethanol in water

Ethanol = CH3CH2OH

Intermolecular forces = H-bonds; dipole-dipole; dispersion

Ions in water also have ion-dipole forces.

Solutions

Factors Affecting Solubility

Glucose (which has

hydrogen bonding)

is very soluble in

water.

Cyclohexane (which

only has dispersion

forces) is not water-

soluble.

Solutions

• La Vitamina A es soluble compuestos

apolares (como aceites).

• La Vitamina C es soluble en agua.

Factores que afectan la solubilidad

Solutions

Cuál vitamina

es soluble en

agua, y cuál

en aceite?

Solutions

Efecto de la Temperatura

Generalmente, la solubilidad de solutos sólidos en

solventes líquidos aumenta al aumentar la

temperatura.

Solutions

• Ocurre lo contrario para solutos gaseosos disueltos en solventes liquidos: Aumentar la temperatura hacebajar la solubilidad.Las bebidas carbonatadas son más “buubujeantes” si se

guardan en el refrigerador.

Solutions

Gases in Solution

• In general, the

solubility of gases in

water increases with

increasing mass.

Why?

• Larger molecules

have stronger

dispersion forces.

Solutions

Gases in Solution

QuickTime™ and aTIFF (LZW) decompressor

are needed to see this picture.

Solutions

Efecto de la Presión

• La solubilidad de

líquidos y sólidos no

cambia apreciablemente

con la presión.

• De otro lado, la

solubilidad de un Gas

en un líquido es

directamente

proporcional a su

presión.

Aumentar

la presión

sobre la

solución

provoca

que más

gas se

diseulva.

Solutions

Ley de Henry

Sg = kPg

donde

• Sg es la solubilidad del

gas, en mol/L;

• k es la constante de ley

de Henry para el gas

en el solvente dado, en

mol/(atm*L;)

• Pg es la presión parcial

del gas sobre el

líquido, en atm.

Solutions

Henry’s Law

Sg = kPg

k for N2 at 25°=6.8 x 10-4 mol/L atm

Solutions

Formas de expresar

la concentración de

las soluciones

Solutions

Porcentaje de masa o p/p

% p/p de A =g de A disueltos

G totales de la solución 100

Porcentaje de volumen o v/v

% v/v de A =mL de A disueltos

mL totales de la solución 100

Porcentaje peso a volumen o p/v

% p/v de A =g de A disueltos

mL totales de la solución 100

Solutions

Partes por Millón y

Partes por Billón

ppm =g de A disueltos

g totales de solución 106

Partes por Millón (ppm)

Partes por Billón (ppb)

ppb =g de A disueltos

g totales de solución 109

Solutions

moles de A

Moles totales en soluciónXA =

Fracción molar(X)

• Algunas veces, es necesario calcular la

fracción molar de solvente y no la del

soluto, por lo que se debe calcular con

cuidado.

Solutions

moles de soluto

L de soluciónM =

Molaridad (M)

• Como el volume varía al variar la

temperatura, la molaridad puede

cambiar al cambiar la temperatura de la

solución.

Solutions

moles de soluto

Kg de solventem =

Molalidad (m)

Como ni la masa ni las moles cambian

al cambiar la temperatura, la molalidad

no depende de la temperatura.

Solutions

Solutions

SAMPLE EXERCISE 13.4 Calculation of Mass-Related Concentrations

(a) A solution is made by dissolving 13.5 g of glucose (C6H12O6) in 0.100 kg of water. What is the mass

percentage of solute in this solution? (b) A 2.5-g sample of groundwater was found to contain 5.4 g of Zn2+

What is the concentration of Zn2+ in parts per million?

PRACTICE EXERCISE(a) Calculate the mass percentage of NaCl in a solution containing 1.50 g of NaCl in 50.0 g of water. (b) A

commercial bleaching solution contains 3.62 mass % sodium hypochlorite, NaOCl. What is the mass of NaOCl

in a bottle containing 2500 g of bleaching solution?

PRACTICE EXERCISEA commercial bleach solution contains 3.62 mass % NaOCl in water. Calculate (a) the molality and (b) the mole

fraction of NaOCl in the solution.

Solutions

Propiedades Coligativas

• Las Propiedades Coligativas dependen

solamente de la cantidad de soluto

disuelto, no de la naturaleza química

del mismo.

• Son cuatro propiedades:

Descenso de la presión de vapor

Aumento del punto de ebullición

Descenso del punto de congelación

Presión osmótica

Solutions

1. Descenso en la presión de

vapor del solvente

Cuando el solvente está

puro, hay un equilibrio

de moléculas pasando

continuamente del

líquido al vapor y

viceversa, y la cantidad

de solvente como gas

tiene un valor fijo

denominado presión de

vapor.

Solutions

La presencia del soluto

retarda el paso del

solvente desde el

líquido hacia el vapor,

lo que hace que haya

menos solvente como

gas en forma de vapor,

es decir, la presión de

vapor del solvente

desciende

Solutions

Entonces, la presión de vapor de una solución

siempre es menor a la del solvente puro. Esto

es el Descenso en la Presión de Vapor.

Solutions

Vapor Pressure

Solutions

Ley de Raoult

PA = XAPA

donde

• XA es la fracción molar del componente A

• PA es la presión de vapor del solvente

puro a la temperatura dada.

NOTA: En ésta, como en las demás

propiedades coligativas, es el soluto quien

afecta al solvente.

Solutions

SAMPLE EXERCISE 13.8 Calculation of Vapor-Pressure Lowering

Glycerin (C3H8O3) is a nonvolatile nonelectrolyte with a density of 1.26 g/mL at 25°C. Calculate the vapor

pressure at 25°C of a solution made by adding 50.0 mL of glycerin to 500.0 mL of water. The vapor pressure of

pure water at 25°C is 23.8 torr (Appendix B).

PRACTICE EXERCISEThe vapor pressure of pure water at 110°C is 1070 torr. A solution of ethylene glycol and water has a vapor

pressure of 1.00 atm at 110°C. Assuming that Raoult’s law is obeyed, what is the mole fraction of ethylene

glycol in the solution?

Solutions

Aumento del Punto de Ebullición y

Descenso del Punto de Congelación

Tf0

Tb0

Solutions

2. Aumento del Punto de EbulliciónLa presencia del soluto provoca un mayor punto de

ebullición para la solución, un DTb:

DTb = Kb m idonde Kb es la constante ebulloscópica, y

pertenece sólo al solvente.

Para hallar Tb de la solución, .0

bbb TTT D

Solutions

3. Descenso del Punto de Congelación

• La presencia del soluto también provoca un menor

punto de congelación para la solución, un DTf :

DTf = Kf m iDonde Kf es la constante crioscópica del solvente.

Para hallar Tb de la solución, .0

fff TTT D

Solutions

En ambos casos, DT no

depende de cuál soluto es,

sino solamente de cuántas

partículas hay disueltas; si el

soluto no iónico, i vale 1, y si

es iónico, i es la cantidad de

iones que tenga el soluto.

Por ejemplo, para el azúcar

(sacarosa), i = 1, para el NaCl,

i = 2, y para el Ca(OH)2, I = 3.

DTb = Kb m i

DTf = Kf m i

Aumento del Punto de Ebullición y

Descenso del Punto de Congelación

Solutions

Colligative Properties of

ElectrolytesBecause these properties depend on the number of

particles dissolved, solutions of electrolytes (which dissociate in solution) show greater changes than those of nonelectrolytes.

e.g. NaCl dissociates to form 2 ion particles; its limiting van’t Hoff factor is 2.

Solutions

Colligative Properties of

ElectrolytesHowever, a 1 M solution of NaCl does not show

twice the change in freezing point that a 1 M

solution of methanol does.

It doesn’t act like there are really 2 particles.

Solutions

van’t Hoff Factor

One mole of NaCl in

water does not

really give rise to

two moles of ions.

Solutions

van’t Hoff Factor

Some Na+ and Cl−

reassociate as hydrated ion pairs, so the true concentration of particles is somewhat less than two times the concentration of NaCl.

Solutions

The van’t Hoff Factor

• Reassociation is

more likely at higher

concentration.

• Therefore, the

number of particles

present is

concentration

dependent.

Solutions

The van’t Hoff Factor

We modify the

previous equations

by multiplying by the

van’t Hoff factor, i

DTf = Kf m i

i = 1 for non-elecrtolytes

Solutions

Fundamento de la Ósmosis• Un membrana es Semipermeable cuando

permite el paso de unas partículas pero no de

otras.

• En sistemas biológicos, están en nuestras

paredes celulares, y la mayoría de ellas dejan

pasar agua hacia uno y otro lado, pero

bloquean muchos solutos.

Solutions

En la ósmosis, hay un movimiento de solvente desde el lugar de mayor presencia de solvente (menorconcentración de soluto) hacia el lugar de menor presenciade solvente (mayor concentración de soluto).

El agua tiende a igualar las concentraciones en ambos

lados.

Solutions

4. Presión Osmótica

• La presión requerida para detener la

ósmosis se llama presión osmótica :

n

V = ( )RT = MRT

donde M m es la molaridad de la solución

Si la presión osmótica en ambos lados de una

membrana es igual (i.e., las concentraciones en

ambos lados son iguales), las soluciones son

isotónicas.

Solutions

Ósmosis en células

sanguíneas

• Si la concentración de

soluto fuera de la célula

es más grande que al

interior, la solución es

hipertónica.

• El agua sale de la célula,

lo que se denomina

crenación.

Solutions

Ósmosis en células

sanguíneas

• Si la concentración de

soluto fuera de la célula

es menor que al interior,

la solución es hipotónica.

• El agua entra a la célula,

y si entra demasiado, la

célula se rompe, lo que

se denomina hemólisis.

Solutions

Solutions

Molar Mass from

Colligative Properties

We can use the

effects of a colligative

property such as

osmotic pressure to

determine the molar

mass of a compound.

Solutions

Colloids:

Suspensions of particles larger than

individual ions or molecules, but too small to

be settled out by gravity.

Solutions

Tyndall Effect

• Colloidal suspensions

can scatter rays of light.

• This phenomenon is

known as the Tyndall

effect.

Solutions

Colloids in Biological Systems

Some molecules have

a polar, hydrophilic

(water-loving) end and

a nonpolar,

hydrophobic (water-

hating) end.

Solutions

Colloids in Biological Systems

Sodium stearate

is one example

of such a

molecule.

Solutions

Colloids in Biological Systems

These molecules

can aid in the

emulsification of fats

and oils in aqueous

solutions.

Solutions

END Chap 13