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y propiedades coligativas) (Ejercicios) (Introducción) (Generalidades) (Mezclas
homogéneas y heterogéneas) (Mezclas
homogéneas o disoluciones) (Tipos
de disoluciones) (Introducción
a las unidades de concentración) (Porcentaje
en masa) (Notación
partes por) (Porcentaje
volumen a volumen) (Porcentaje
masa a volumen) (Concentración
molar) (Concentración
normal) (Peso
equivalente y factor equivalente) (Concentración
molal) (Fracción
molar) (Conversiones
entre unidades de concentración líquidas)
(Unidades
de concentración en gases) (Conversiones
de unidades de concentración gaseosas)
(Cambios
de concentración subcríticos) (Alícuotas,
destilaciones y mezclas) (Referencias
bibliográficas)
Otros
conceptos relacionados al cambio de concentración, pero que no son cambios de
concentración necesariamente, son las alícuotas, las destilaciones y las
mezclas de disoluciones con volúmenes diferentes.
Alícuotas
Es la obtención de
una solución de volumen menor a una fuente original, pero de
concentración igual, se supone que se
toma con un error de muestreo insignificante y que la solución o muestra
original es homogénea. El término se suele aplicar a los fluidos. El término
'alícuota' se usa generalmente cuando la parte fraccionaria es un divisor
exacto de la totalidad.
Cuando una muestra
de laboratorio o muestra de prueba se divide en alícuotas o se subdivide sus
masas o volúmenes respectivos disminuyen la proporción, pero la concentración
entre un momento final y otro inicial se mantiene constante. Realizaremos la
deducción con la concentración molar, pero podemos mantener la analogía con
cualquier otro tipo de unidad de concentración.
La alícuota líquida
debe ser tomada con una pipeta, que puede ser graduada o aforada utilizando una
propipeta o pipeta automática. La alícuota sólida debe tomarse por pesada y
debe usarse disolviendo la muestra en un disolvente en que sea perfectamente
soluble la alícuota sólida (generalmente se usa alcohol o agua). Para realizar
una solución diluida a partir de una concentrada, la alícuota líquida de la
solución concentrada debe ser llevada a la concentración requerida por adición
de disolvente.
La definición de alícuota establece concentraciones
iguales:
(206)
A partir de aquí podemos tener un análisis de dos volúmenes:
(207)
O un análisis de un volumen:
(208)
Con base en lo anterior, es posible extender esto a las
demás unidades de concentración.
Ejemplo.
Determine la masa en gramos y en moles
de una alícuota de 10 ml tomada a partir de una solución de 1 L al 3 molar. La
masa molar del soluto es de 30 g/mol.
Solución analítica Despejamos
la masa final de la ecuación 208.
Para la segunda solución
despejamos la masa de la ecuación de la masa molar:
Solución numérica: Tenga en
cuenta convertir volúmenes cuando sea necesario. Y la unidad M convertirla a
mol/L.
¿Cuántos moles?
¿Cuántos
gramos?
La destilación es semejante a la evaporación, pero aquí la
sustancia que interesa es la que escapa como vapor, y, por ende, dicho vapor
debe ser atrapado y recondenado a la fase líquida por medio de un condensador
con agua fría externa, que permite la colección del destilado en un frasco
fresco lejos del original. El montaje de destilación también recibe el nombre
árabe de alambique, ya que ellos fueron quienes desarrollaron la técnica
originalmente con el objeto de destilar perfumes de flores y fortalecer las
bebidas alcohólicas.
Figura 9. Montaje de destilación: en el matraz se
calientan dos sustancias, una es mas volatil (su punto de ebullición es menor)
que la otra, y por ende se evapora mas rápido, pasando al condensador, allí una
corriente de agua externa enfria el vapor para que se condence a líquido y
pueda recolectarse en el vaso de precipitados (YouTube).
La destilación puede resultar en una separación
esencialmente completa (componentes casi puros), o puede ser una separación
parcial que aumenta la concentración de los componentes seleccionados en la
mezcla. En cualquier caso, el proceso explota las diferencias en la volatilidad
relativa de los componentes de la mezcla. En química industrial, la destilación
es una operación unitaria de importancia prácticamente universal, pero es un
proceso de separación física, no una reacción química.
Recuerde, amas sustancias se evaporan al calentar, pero la
más volátil/de menor punto de ebullición se destila primero. Destilar primero
implica que se extrae todo lo que es posible de una determinada sustancia, si
graficáramos la cantidad de sustancia destilada contra tiempo, esta aumentaría
hasta llegar a un punto límite donde queda horizontal, eso implica que ya no
queda sustancia destilable en el matraz y toda se encuentra en el vaso de
pecipitados. Por lo anterior, las sustancias volátiles alcanzan su horizontal
más rápido que las menos volátiles.
La destilación de productos fermentados produce bebidas
destiladas con un alto contenido de alcohol o separa otros productos de
fermentación de valor comercial. La destilación es un método efectivo y
tradicional de desalinización.
En la industria de los combustibles fósiles, la
estabilización del petróleo es una forma de destilación parcial que reduce la
presión de vapor del petróleo crudo, lo que lo hace seguro para el
almacenamiento y el transporte, además de reducir las emisiones atmosféricas de
hidrocarburos volátiles. En las operaciones intermedias en las refinerías de
petróleo, la destilación es una clase importante de operaciones para
transformar el petróleo crudo en combustibles y reservas de alimentos químicos.
La refinación de petróleo implica tomar una materia prima como el petróleo
crudo y destilarla o purificarla en fracciones y productos utilizables como
gasolina, queroseno e incluso plásticos. Esto se hace calentando el petróleo
crudo y descargando los líquidos y vapores resultantes en las torres. Dentro de
las torres, los líquidos se separan según su peso y punto de ebullición. Cuando
el petróleo crudo se destila fraccionadamente, puede observar los diferentes
combustibles y materias primas producidos a diferentes alturas en la torre de
destilación. Las moléculas pequeñas que tienen puntos de ebullición bajos, son
muy volátiles, fluyen fácilmente y se encienden fácilmente, se elevan a la
parte superior de la torre como gases y gasolina. Las moléculas más grandes con
altos puntos de ebullición que no son muy volátiles y que no fluyen ni se
encienden con mucha facilidad caen al fondo de la torre, incluidos el
combustible y los aceites diesel, así como el petróleo. Productos como el
queroseno y la nafta se mantienen en el medio.
La destilación criogénica conduce a la separación del aire
en sus componentes, especialmente oxígeno, nitrógeno y argón, para uso
industrial.
En el campo de la química industrial, se destilan grandes
cantidades de productos líquidos crudos de síntesis química para separarlos, ya
sea de otros productos, de impurezas o de materiales de partida sin reaccionar.
Una instalación utilizada para la destilación, especialmente
de bebidas destiladas, se llama destilería. El equipo de destilación en una
destilería es un alambique.
En este caso nos interesa obtener el destilado, pues es
valioso. Este destilado tendrá trazas de solvente, pero son pocas, por lo que
el producto final tendrá una mayor concentración del soluto. Dado que las tres
variables cambian no hay modo de anticipar la concentración final, la cual debe
medirse por estandarización del método después de repetirlos muchas veces. Los
aceites esenciales de los perfumes florales son ejemplos de solutos atrapados
en los tejidos de las plantas humedecidas para que no se quemen, que se
obtienen por la destilación de un soluto.
Sin embargo, donde se ha refinado más es en la industria de
las bebidas alcohólicas, y, de hecho, la físico-química de este proceso explica
la peligrosidad del alcohol adulterado. Entre más volátil sea la sustancia, es
decir, entre menor sea su punto de ebullición
, más fácil será concentrarla, por ejemplo, en una
mezcla fermentada que posea etanol “CH3CH2OH” (Te(etanol)=
78,37 °C) y metanol “CH3OH” (Te(metanol)= 64,7 °C) aunque exista más etanol que metanol,
durante la destilación el metanol “CH3OH” se volatilizará más fácilmente, por lo que en
el producto destilado tendremos una proporción de metanol “CH3OH” con respecto al etanol “CH3CH2OH” más alta que en la bebida fermentada
original. Esto hace peligroso destilar bebidas fermentadas tradicionales, pues,
aunque las trazas de metanol no son peligrosas en un fermentado (ej. Chicha,
vino), al destilarlo el metanol aumenta volviéndose tóxico con síntomas que van
desde una intoxicación grave, pasan por la ceguera y concluyen en la muerte (Ohimain, 2016). Los fermentos industriales se hacen con medidas
de seguridad que impiden la obtención de metanol.
El metanol es venenoso por varias cosas, la primera es que
es una molécula de tamaño comparable al agua, por lo que ingresa por osmosis a
ella, allí este es insertado en otros metabolismos secundarios que conducen a
la síntesis en el hígado de ácido fórmico. El ácido fórmico o ácido metanóico
es un veneno potente, generando salivación, vómitos, dolor abdominal,
quemaduras y ardor intenso en la boca, labios y esófago, vómito con sangre,
diarrea y posiblemente la muerte. Esto cuando se ingiere, pero el ácido fórmico
o metanóico sintetizado en el hígado es un poco diferente; sus síntomas
empiezan con un fuerte e inusual dolor de cabeza, que puede estar acompañado
por luces o sensación de centelleo; también puede haber decaimiento, mareo,
náuseas, dolor abdominal, dificultad para respirar, pérdida de la agudeza
visual o ceguera, convulsiones y … la muerte.
La mezcla de dos o más soluciones en una final es un proceso
sencillo en el laboratorio, vasta verter dos frascos en otro más grande, pero
matemáticamente tiene ciertas complicaciones. Lo principal es tener en cuenta
la siguiente regla:
(209)
Es decir, la concentración final no es la suma de
concentraciones.
La aritmética de esta suma es diferente y debe obedecer al
criterio de encontrar el volumen final y la cantidad de sustancia final final.
(210)
Tenga en cuenta que los volúmenes de solución individuales
son totales para sus propios momentos iniciales Vi0,
pero como tenemos varios volúmenes a mezclar, en este caso le adicionaremos la
identidad del soluto al que corresponden para identificar donde reemplazamos
cada volumen.
Ejemplo.
Mezclamos 130 ml en el cual había 4
moles de soluto y 70 ml donde había 6 moles de soluto. ¿Cuál es la
concentración molar final?
Solución analítica: Convertimos la (210) a una expresión para dos soluciones iniciales, que llamaremos a y b.
Solución numérica: Convierta a
litros reemplazando ml por (10-3) L.
Existe una variación de este problema y es la concentración
final dadas las concentraciones iniciales y los volúmenes correspondientes. La
ecuación general quedará expresada como.
(211)
Definición de la concentración molar de una mezcla de varias
disoluciones. Que para un sistema de dos soluciones puede simplificarse a.
(212)
Ejemplo.
Si mezcla 20 ml de solución de
azúcar de 3 M con 30 ml de una solución de azúcar de 5 M, ¿con qué solución
termina?
Solución analítica: aplicamos
la ecuación anterior.
Solución numérica: Convertimos
todos los volúmenes a litros, como son decenas X0 ml su forma en mililitros es
0,0X.
Se termina con una solución al
4,2 M.
