sábado, 14 de agosto de 2021

Cambios de concentración subcríticos | ⚗️ Disoluciones y unidades de concentración | Joseleg |

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Al igual que sucede con gases o con las propiedades ponderales, las leyes que hemos definido para las unidades de concentración tienen dos formas, una estática, que es la que hemos visto, y otra dinámica o para variables de estado.  En una variable de estado, lo único que nos importa son los estados inicial y final del sistema, pero no nos importa lo que sucede en medio. De lo anterior se deduce que vamos a tener que introducir los conceptos de inicial y final. Las variables iniciales van a estar marcadas con un superíndice cero, por ejemplo, masa inicial total m0, y las variables en su estado final van a ir sin marca, por ejemplo, la masa total final m.

La concentración es una función de dos variables, soluto y solvente, por ende, se puede alterar la concentración alterando el soluto y/o alterando el solvente. En la práctica estos procesos están limitados, en generar es muy fácil adicionar soluto y/o solvente, pero retirarlos es más complejo.

 

Cambios de concentración por adición

La concentración aumenta al adicionar soluto y disminuye al adicionar el solvente. Por lo general, adicionar solvente a una solución se denomina diluir la solución, para disminuir su concentración. Por ejemplo, el ácido clorhídrico generalmente se vende a una concentración de 12 M, pero para las actividades y prácticas experimentales pueden usarse concentraciones desde 1 M hasta 1×10-6 M. Los cambios en las unidades de concentración se basan en el hecho de que experimentalmente lo más fácil es cambiar la cantidad de solvente, por lo que las masas de soluto entre dos momentos es una constante.

Cambios de concentración por evaporación y destilación

Si el solvente es más volátil que el soluto, calentar la solución permite aumentar la concentración al disminuir la cantidad de solvente. Por el contrario, si el soluto es más volátil que el solvente al calentar la concentración disminuye. Si su objetivo es aumentar la concentración de un solvente volátil, debe capturar el vapor y condensarlo, proceso denominado destilación.

 

Matemáticas del cambio de concentración

El modelo matemático más común para esta situación es el que describe a la cantidad de soluto como una constante: ya sea cantidad de sustancia (ni0=ni), o masa (mi0=mi). Con base a esta condición, es posible deducir las ecuaciones de cambio de concentración.

Deducción

Si tomamos la ecuación que define la fracción de masas.

 y dividimos cada uno de los términos entre su versión inicial, pero asumiendo que la masa del soluto es constante:

Aunque la ecuación anterior ya está lista para usarse, generalmente se la presenta linealizada con todos los términos iniciales a un lado y los finales al otro.

(195)

El mismo proceso puede hacerse para la concentración molar.

Deducción

Si tomamos la ecuación que define la concentración molar.

 y dividimos cada uno de los términos entre su versión inicial, pero asumiendo que la cantidad de sustancia del soluto es constante:

Aunque la ecuación anterior ya está lista para usarse, generalmente se la presenta linealizada con todos los términos iniciales a un lado y los finales al otro.

(196)

Las ecuaciones anteriores nos permiten determinar los cambios de concentración al agregar o disminuir la cantidad de solvente o volumen final.

Ejemplo. Determine el porcentaje en masa final si a una solución al 12% en masa de masa total 50 g, la llevamos a 200 g.

Solución analítica: Empleamos la ecuación (195), despejando la fracción de masa final.

Opcional. Convertimos fracción de masas a partes por ciento.

Solución numérica:

La respuesta es 6 %.

 

Ejemplo. ¿Si deseamos llevar una solución del 12% en masa al 10% en masa, a cuanto debemos llevar la masa total adicionando agua, si la masa inicial es de 100 g?

Solución analítica: Empleamos la ecuación (195), despejando la masa total final.

Opcional. Convertimos fracción de masas a partes por ciento.

Solución numérica

 

Ejemplo. Una solución inicial al 8 M en 500 ml de agua se llevó a 2000 ml. ¿Cuál es la concentración después de agregar ese volumen?

Solución analítica: Empleamos la 196 despejando la variable pertinente.

Solución numérica: Convierta molar a mol/L

Algunas unidades de concentración como la fracción de masas permiten preguntar sobre la adición de solvente sin dar la masa total, miremos esa situación.

Demostración

Deduzca una ecuación para el cambio de fracción de masas que permita usar la masa de solvente adicionada en el momento final. Iniciamos con la ecuación (195):

La masa total final es la suma de la masa total inicial más la masa de solvente adicionada.

Y simplificamos.

(197)

Miremos un ejemplo numérico.

Ejemplo. Cuál es el porcentaje en masa final de una solución de masa total de 100 g al 20% a la cual se le adicionó 80g de solvente.

Solución analítica: Despejamos la fracción de masas final de la ecuación anterior.

Opcional. Convertimos fracción de masas a partes por ciento.

Solución numérica

La respuesta será de 11%.

El caso opuesto, en que se retire una cantidad de solvente, se modela con una resta.

Todas las unidades de concentración pueden convertirse a una forma dinámica. Que consiste en el producto de la unidad de concentración por el valor que describe a la solución total (como el volumen total) o a la cantidad de solvente. A continuación, expondremos dichas ecuaciones:

(198)

(199)

(200)

(201)

(202)

(203)

(204)


En ocasiones podemos tener mezclas de unidades de concentración, la más común es tener un frasco de ácido definido con porcentaje en masa, y densidad como momento inicial, y la concentración molar como momento final.

Demostración

Iniciamos con 

La situación inicial está dada en porcentaje en masa, por lo que necesitaremos masa al inicio.

La masa de soluto la reemplazamos por el producto fracción por masa total, y la cantidad de sustancia por el producto concentración molar por volumen total

El problema no me da la masa total, así que lo reemplazamos por el producto densidad inicial por volumen inicial.

Despejamos el volumen inicia.

(205)

Ejemplo. En la etiqueta de un frasco comercial de ácido clorhídrico (M = 36 g/mol) se especifica: disolución acuosa, al 37% en masa; densidad, 1,184 g/ml. Determinar el volumen en ml de ácido concentrado que requiero para formar 250 ml de una disolución de: 1 M, 2 M, 0,5 M, 0,1 M, 0,01 M.

Solución analítica: emplearemos la ecuación anterior, pero reemplazando inicialmente los términos que no cambian.

Solución numérica: Convierta porcentaje a fracción de masas dividiendo entre 100. A adicionalmente hay que convertir de ml a L.

Ahora evaluamos para cada valor de concentración convirtiendo M a mol/L:

Ejemplo 1. El ácido sulfúrico H2SO4 (98 g/mol) lleva la siguiente información en su etiqueta comercial, 49% en masa con una densidad de 1,4 g/ml. Determinar el volumen en ml de ácido concentrado que requiero para formar 250 ml de una disolución de: 1 M, 2 M, 0,5 M, 0,1 M, 0,01 M.

Solución analítica: Este problema tiene la misma estructura que el problema anterior aplicamos la ecuación (205)

Solución numérica:

Dado que hay varias concentraciones, procesaremos los términos constantes. Convierta porcentaje a fracción de masas. A adicionalmente hay que convertir de ml a L.

Ahora solo es evaluar cada una de las concentraciones:



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