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370 Soluciones, Minerales y Petróleo 1. SOLUCIONES Son mezclas homogéneas en la cual un componente llamado soluto se disuelve en un medio llamado solvente. El soluto identifica la solución (ejemplo solución de AgNO3). Los solventes pueden ser Polares (agua, alcohol etílico, amoníaco) y pueden ser no polares (Benceno, CCl4). El agua es llamada solvente universal. En una solución cualquier parte elemental de su volumen posee una composición química y propiedades idénticas. 1.1. Solubilidad: Indica la máxima cantidad de soluto (saturación) que se puede disolver en 100 g. de disolvente que generalmente es agua a una determinada temperatura. Para considerar si un soluto se disuelve en un determinado solvente se puede considerar la generalización que dice “Lo semejante disuelve a lo semejante”, significa que un solvente disolverá a un soluto si tienen estructuras similares. STEg MAXSTOCT STO 100 W S =° 1.2. Clasificación de las soluciones a) Por el estado de la solución: • Soluciones Sólidas. Ejemplo: una aleación de plata (Ag) y cobre (Cu). • Soluciones Líquidas. Ejemplo: la salmuera (solución de sal NaCl y agua H2O) • Soluciones Gaseosas. Ejemplo: el aire (solución de oxígeno, nitrógeno, CO2 y otros gases). ESTADO DE LA SOLUCIÓN ESTADO DEL SOLUTO ESTADO DEL DISOLVENTE EJEMPLOS Gaseoso Gaseoso Gaseoso Aire (O2: 20%, N2: 80%) Líquido Gaseoso Líquido Oxígeno en agua Líquido Líquido Líquido Alcohol en agua Líquido Sólido Líquido Sal en agua Sólido Gaseoso Sólido Hidrógeno en platino Sólido Líquido Sólido Mercurio en plata u oro Sólido Sólido Sólido Plata en oro, bronce (Cu + Sn) latón (Zn en Cu), Cobalto en Ni. Otras aleaciones. b) Por la cantidad de soluto en el solvente: • Soluciones Diluidas: Cuando la cantidad de soluto es muy pequeña, en relación a su solubilidad. • Solución Concentrada: Cuando la cantidad de soluto es muy apreciable, en relación a su solubilidad. • Solución Saturada: Es aquella solución que ha alcanzado su máxima concentración a una temperatura determinada. • Solución Sobresaturada: Es cuando se disuelve más soluto del permitido por solubilidad debido a ciertos factores como la temperatura. [Soluto] Punto de saturación 0 Diluida [Soluto] [Soluto] Concentrada [Soluto] Sobresaturada Saturada 371 c) Por la conductividad eléctrica: Las soluciones pueden ser soluciones iónicas (electrolitos) y soluciones moleculares. • Soluciones Electrolíticas (iónicas): Soluciones cuyo soluto es un electrolito (compuesto iónico), el cual se disocia en medio acuoso y permite la conducción de la corriente eléctrica. Ejm. de electrolitos, sales, ácidos y bases. • Soluciones No Electrolíticas (Moleculares): Soluciones cuyo soluto, no se ha disociado en iones, pero está disperso debido al proceso de solvatación. No permite la conducción de la corriente eléctrica. Ejm. Azúcar en agua. 1.3. Unidades de Concentración Física a. Porcentaje en Peso.- Nos indica el porcentaje en masa del soluto con respecto a la masa total de la solución. % W = 100x solW stoW Ejemplo: Solución de HCl al 4% en peso Es decir que 4 g HCl están contenidos en 100 g de solución b. Porcentaje en Volumen.- Nos indica el porcentaje en volumen del soluto con respecto al volumen total de la solución. % V = 100x solV stoV Ejemplo: Alcohol etílico al 40% en volumen Es decir que 40 mL de alcohol están contenidos en 100 mL de solución. c. Partes por millón (ppm).- Indica partes de soluto en un millón de partes de solución. Si la solución es gaseosa o líquida se expresa en mg de soluto por cada litro de solución: mg/L. Si la solución es sólida se expresa en mg de soluto por cada Kilo de solución: mg/Kg 1 ppm = 1 mg / 1 L = 1 mg/1Kg Ejemplo: 6 ppm O2 en aire→ 6 mg O2 en un litro de aire 4 ppm de Hg en pescado 4 mg de Hg en un Kg de pescado 1.4. Unidades de Concentración Química a. Molaridad (M) : Indica los moles de soluto disuelto en 1 L de solución: M = nSTO/ Vsol(L) nSTO = .PMsto M Sto M = )(. MSto LVsolPMsto Ejemplo : Solución de NaOH 2,5 M. b. Normalidad (N) : Indica el número de Eq-g de soluto disuelto en 1L de solución N = # Eq. g (sto) / Vsol (L) # eq – g(STO) = gEq M Sto − nSTO : moles de soluto Vsol(L) : volumen de solución en litros MSto: masa soluto PMsto : peso molecular del soluto También puede expresarse la molaridad en función de densidad de la solución (D) y %W: M = 10 (%W).(D) / PMSTO 372 Ejemplo : Solución de HCl al 0,5 N # Eq – g : N° de equivalentes gramo * Relación entre M y N ⇒ N = θ M −+=θ =θ −+ )(ó)(totalaargc OH#óHde# * N = 10(%W) (D) . θ PMSTO c. Molalidad (m).- Indica el número de moles de soluto disuelto por cada kilogramo de solvente. m = nsoluto / W solvente (Kg) m = 1000 (%W) (100 - %W) PMSTO Ejemplo: Solución de C6H12O6 3m Significa que por cada Kilogramo de agua están disueltos 3 mol de C6H12O6 d. Equivalente – gramo.- Es la cantidad de sustancia que se consume, o se desplaza en una reacción química. Eq. - gramo Acidos = P.M./ # H+ P.M. = Peso molecular Eq. - gramo Bases = P.M./ # OH- Eq. - gramo Sales = P.M./ # cargas totales (+) ó (-) Eq. - gramo Redox = P.M./ # de electrones ganados ó perdidos Eq. - gramo Ion = P.M./ carga e. Fracción Molar(fm).- Indica el número de moles de soluto o solvente entre el número de moles de la solución fm sto = T sto n n fm ste = T ste n n fmsto + fmste = 1 1.5. Mezcla de Soluciones: C1 V1 + C2 V2 + ... Cn Vn = Cn+1 . Vn+1 Cn+1 = Concentración Final Vn+1 = Volumen Total Nota: C es la concentración en esta fórmula. Es la relación de soluto sobre volumen de la solución. fmsto = Fracción molar del soluto nT = número de moles totales nSto + nSte nSto = número de moles del soluto fm ste = Fracción molar del solvente nSte = número de moles del solvente 373 Dilución de Soluciones: C1V1 = C2V2 C = Concentración V1 = Volumen inicial V2 = V1 + O2HV V2 = Volumen final Neutralización. Ácido + Base → Sal + Agua # Eq. g (Ácido) = # Eq. g (Base) NA VA = NB VB NA = Normalidad del Ácido VA = Volumen de Ácido NB = Normalidad de la Base VB = Volumen de la Base 2. POTENCIAL DE HIDRÓGENO (pH) Es una medida de la concentración de los iones hidrógeno que tiene una solución. Dado que las concentraciones de los iones H1+ y OH1- en soluciones diluidas son números muy pequeños y es difícil trabajar con ellos, Soren Sorensen, en 1909 propuso una medida más práctica denominada pH, que matemáticamente se expresa como el logaritmo decimal de la inversa de la concentración molar de los iones hidronio ( o iones hidrógeno ). pH = log [ ]+H 1 = - log [ H + ] * Si [ H+ ] > [ OH- ] , pH < 7 , la solución es ácida * Si [ H+ ] = [ OH- ] , pH = 7 , la solución es neutra * Si [ H+ ] < [ OH- ] , pH > 7 , la solución es básica (alcalina) El valor de pH puede variar dentro del rango siguiente:Aumenta acidez Disminuye basicidad pH = 0 7 14 Aumenta basicidad Disminuye acidez Un término análogo al pH, es el pOH à pOH = log [ ]−OH 1 = - log [ OH - ] A 25 °C, se cumple que : pH + pOH = 14 à [ H+ ] [ OH- ] = 10-14 Experimentalmente el pH se mide con instrumentos llamados pH-metros o potenciómetros. M N % densidad 374 SOLUCIONES AMORTIGUADORAS También conocidas como tampón o buffer, son soluciones que se resisten a la variación de pH al añadirles ácidos o bases fuertes. La sangre humana por ejemplo, es una mezcla acuosa con un pH amortiguado en un valor cercano a 7,4. Gran parte del comportamiento químico del agua de mar está determinado por su pH, amortiguado entre 8,1 y 8,3 cerca de la superficie. Las disoluciones amortiguadoras tienen importantes aplicaciones en laboratorio y en medicina. 3. LOS MINERALES SON ELEMENTOS O COMPUESTOS METÁLICOS QUE SE PRESENTAN EN LA NATURALEZA MEZCLADOS CON LAS ROCAS, CONSTITUYEN LA CORTEZA TERRESTRE. Principales tipos de minerales Tipo Minerales Metales sin combinar Ag, Au, Bi, Cu, Pd, Pt Carbonatos BaCO3 (witherita), CaCO3 (calcita, piedra caliza, mármol), MgCO3 (magnesita), CaCO3.MgCO3 (dolomita), PbCO3 (cerusita), ZnCO3 (smithsonita) Halogenuros CaF2 (fluorita), NaCl (halita, sal gema), KCl (silvita), Na3AlF6 (criolita) Óxidos Al2O3.2H2O (bauxita), Al2O3 (corindón), Fe2O3 (hematita), Fe304 (magnetita), Cu2O (cuprita), MnO2 (pirolusita), SnO2 (casiterita), TiO2 (rutilo), ZnO (cincita), SiO2 (cuarzo) Fosfatos Ca3(PO4)2 (roca fosfórica), Ca5(PO4)3OH (hidroxiapatita) Silicatos Be3Al2Si6O18 (berilo), ZrSiO4 (zircón), NaAlSi3O8(albita), Mg3Si4O10(OH)2 (talco) Sulfuros Ag2S (argentita), CdS (grenoquita), Cu2S (calcocita), FeS2 (pirita), HgS (cinabrio), PbS (galena), ZnS (esfalerita o blenda), CuFeS2 (calcopirita) Sulfatos BaSO4 (barita), CaSO4 (anhidrita), PbSO4 (anglesita), SrSO4 (celestina), MgSO4.7H2O (epsomita), CaSO4.2H2O (yeso) [H] > [OH ] 1+1+ pH < 7 [H] > [OH ] 1+1- pH = 7 [H] < [OH ] 1+-1 pH > 7 Solución ácida Solución neutra Solución básica A c i d e z B a s i c i d a d Escala de pH 0 1 2 2,4 3,5 5,5 6 7 7,36 7,4 10,6 11,4 14 : Jugo de limón : Jugo gástrico : Jugo de naranja : Agua expuesta al aire : Saliva : Agua destilada : Sangre : Lágrimas : Leche de magnesia : Limpiador doméstico con amoniaco 375 4. LOS METALES Los Minerales, son metales se encuentran en la Naturaleza combinados con otros elementos, principalmente en forma de sulfuros y óxidos, de los cuales por tratamiento se extraen los metales puros. Los Metales Nobles se mantienen puros, ellos forman los minerales denominados Elementos Nativos, entre ellos oro, plata, paladio, radio, platino, iridio, etc. Propiedades físicas, se encuentran en estado sólido a excepción del mercurio que es líquido, son dúctiles, maleables, buenos conductores del calor y de la electricidad, con brillo metálico. Propiedades químicas, las más importantes son su tendencia a perder electrones para formar cationes, combinarse con el oxígeno para dar óxidos y con el azufre para dar sulfuros. La mayor parte son atacados por los ácidos dando origen a las sales y desprendiendo electrones. 4.1. LAS ALEACIONES Aleación es la mezcla homogénea de dos o más metales, con presencia o no de elementos no metálicos Los metales fundidos forman mezclas homogéneas (soluciones sólidas) de átomos, que al enfriarse se solidifican y son llamadas aleaciones. Las aleaciones también son mezclas de metales con presencia de elementos no metálicos, ejemplo en el caso de los aceros constituidos por hierro y carbón. 4.1.1. Aleaciones Férricas Los Arrabios, son aleaciones comunes de hierro y carbón, este último se encuentra entre 1,7 % a 4,8 %; pudiendo contener además pequeñas cantidades de silicio, fósforo, azufre y manganeso. Los Aceros, son aleaciones de hierro y carbono, el carbono se halla en porcentaje inferior al 1.7 % en peso. Pueden ser: Aceros al carbono, o aceros corrientes que están formados por Hierro y Carbono, generalmente contiene 0,85 % de carbón. Aceros especiales, a parte del hierro y carbono contienen: cromo, níquel, manganeso, molibdeno, vanadio, tungsteno, que le confieren propiedades especiales. (acero inoxidable). 4.1.2. Aleaciones No Férricas Aleaciones de Metales Preciosos, las principales son: Oro 21 kilates; 87,5% Oro, 12,5% Cu. Oro 18 kilates; 75,0% Oro, 25,0% Cu. Oro 12 kilates; 50,0% Oro, 50,0% Cu. Plata Esterlina: 925 milésimas de Plata, 75 milésimas de Cu. Plata de 9 décimos: 900 milésimas de Plata, 100 milésimas Cu. Plata de 5 décimos: 500 milésimas de Plata, 500 milésimas Cu. Alpaca o Plata Alemana, aleación de 60% de cobre, 20% Níquel, 20% de Zinc, de aspecto parecido a la plata usado en la orfebrería, cubiertos, relojería y monedas, etc. Amalgamas, son aleaciones que se forman con el mercurio Hg, entre ellas tenemos, amalgama de dentista Hg 70 %, Cu 30 %. Aleaciones Ligeras, cuyo componente básico es el aluminio, son utilizados en la construcción de naves aéreas y artefactos de cocina; ejemplo: Duraluminio 96% aluminio y 4 % Cu; Anticorodal 97% aluminio, 0,6% Mg, 0,9%, Si 0,6%, indicios de Mn y Fe considerada como aleación ultraligera por contener aluminio y magnesio. Bronces, son aleaciones cuyo componente básico es el cobre Cu (75 % como mínimo) generalmente con estaño Sn. También existen los bronces al aluminio de color dorado. Latones, aleación constituida por cobre y zinc en proporciones variables, pudiendo también contener plomo, estaño, aluminio y níquel. 376 5. LA METALURGIA Es la ciencia que trata del conjunto de operaciones y procesos para extraer metales a partir de sus minerales; refinar metales separándolo de sus impurezas; la preparación de las aleaciones y los tratamientos de utilización de los metales. Generalmente la obtención de los metales procedentes de sus minerales comprende 3 pasos importantes: el tratamiento preliminar, la fundición, la refinación. 6. EL PETRÓLEO El Petróleo o “aceite de roca” (petra: roca y oleum: aceite) es un líquido de color oscuro, generalmente más ligero que el agua, constituido por una mezcla de hidrocarburos gaseosos, líquidos, sólidos y sustancias viscosas similares al alquitrán. Se encuentra en yacimientos subterráneos, en depósitos generalmente rocosos y a profundidad. 6.1. Composición química del petróleo, químicamente el Petróleo es una mezcla de hidrocarburos. No todos los petróleos tienen igual constitución; en el Perú los petróleos están formados de hidrocarburos acíclicos (de cadena abierta), pero en otros países productores de petróleo, también están constituídos de hidrocarburos cíclicos, que aumenta su valor por la presencia de aromáticos y nafténicos que generan la industria petroquímica. 6.2. Teorías de formación de petróleo: 6.2.1. Teoría inorgánica, explica la formación del petróleo por reacciones químicas en el interior de la corteza terrestre, en donde el agua frente a los carburos metálicos formaron inicialmente hidrocarburos ligeros que a su vez por polimerización a altas presiones y temperaturas producen los hidrocarburos más pesados. 6.2.2 Teoría orgánica, sostiene que los restos acumulados de animales y plantas fueron sepultados por cataclismos, luego por la acción de altas presiones y temperaturas dieron origen al petróleo. Así mismo propone que el planckton marino sepultado a diversas profundidades sobre rocas sedimentarias, formó un barro negro llamado sapropel el cual posteriormentedio origen al petróleo. 6.3. Prospección del Petróleo, la prospección es el conjunto de técnicas y métodos empleados en la exploración de minerales en general, entre ellos el petróleo; también se utiliza la prospección en la búsqueda y explotación de las aguas subterráneas. La Exploración basa su estudio en la medición de la superficie, de una serie de características que dan como consecuencia el conocimiento de las condiciones físicas y químicas del subsuelo. Uno de los métodos más usados de prospección es la Exploración sísmica. 6.4. Explotación del petróleo, para explotar un yacimiento petrolífero es necesario efectuar la perforación del subsuelo. El petróleo raras veces está cerca de la superficie, casi siempre se halla a gran profundidad. El petróleo extraído se denomina crudo y requiere de una refinación. 6.5. La refinación del petróleo, la refinación del petróleo es el proceso que permite obtener varios productos distintos que tienen diferentes propiedades y usos, los más importantes son: Gases del petróleo, entre los cuales tenemos al propano empleado como gas de cocina, otros gases usados en Petroquímica son metano, etano, butano, etileno, etc. Gasolina, es una mezcla de hidrocarburos de 6 a 12 carbonos. Se ha creado una escala tomando como base a una mezcla de aire e isooctano, cuya explosión es de 100 octanos. Petróleo blanco, se consume en motores y calderos de fábricas industriales, donde además usan el llamado petróleo negro (Bunker). Lubricantes y grasas, son numerosas y proceden del petróleo, se usan en motores. Asfalto alquitrán, para cubrir carreteras y caminos, es el residuo de la refinación. También son derivados importantes del petróleo el kerosén y las parafinas. 377 Resumen Principales fracciones de petróleo. Fracción Átomos de Carbono Rango Pto. Ebullición °C Usos Gas natural Eter de petróleo Ligroina Gasolina Gasavión Querosene Aceite lubricante (Grasas y ceras) Asfalto C1 – C4 C5 – C6 C7 C6 – C12 C11 – C16 C14 – C18 C21 – C40 Ø C40 161 a 120 30 – 60 20 – 135 30 – 180 170 – 290 260 – 350 300- 370 Ø 370 Combustible y gas doméstico Disolvente de compuestos orgánicos Disolvente de compuestos orgánicos Combustibles para automóviles Combustible para aeronaves y calefacción doméstica. Calefacción doméstica y combustible para producción de electricidad. Lubricantes para automóviles y maquinarias Carreteras e impermeabilizante 6.6. Aplicaciones Industriales de los Derivados del Petróleo 1. Gases para combustibles domésticos 2. Éter de petróleo como solvente. 3. Gasolina, como combustible para motores de avión automóviles, etc. 4. Kerosene para la iluminación como combustible doméstico. 5. Gas óleo, combustible para motores diesel 6. Aceites lubricantes: para automóviles, aviones, maquinaria liviana y pesada. 7. Vaselina líquida para uso medicinal y para la preparación de cremas, pomadas, etc. 8. Vaselina sólida para uso industrial y contra la corrosión. 9. Parafina, para la fabricación de velas, fósforos, ceras, etc. 10. Asfalto, para la construcción de carreteras, impermeabilización de techos, briquetas, etc. 11. Fuel Oil y residuos, combustible para generación de calor y fuerza motriz en la navegación, ferrocarriles e industrias en general. 378 Ejercicios 1. Se mezcla 200 g de HNO3 al 25% con 50 g de HNO3 al 35% ¿Cuál será la concentración de la solución final? Solución: W1 = 200g WfCf = W1C1 + W2C2 + W3C3 + ………..WnCn C1 = %1 = 25% 250g x cf = 200(25) + 50(35) W2 = 50g Cf = 5000 + 1750 = 6750 = 27 C2= %2 = 35% 250 250 Cf = ? Wf = 250g 2. Calcular la molaridad y normalidad de una solución conociendo que 2 x 103 mL de la misma contiene 490g de H3PO4 (P=31). Solución: M = ? M = W N = M. f (f =3) N = ? PmV N = 2,5 x 3 V = 2 x 103 mL M = 490 WH3PO4 = 490g 98 x 2 Pm H3 PO4 = 98 3. Si se mezcla 40 mL de CH3 – COOH 0,5 N con 0,12 L de CH3 – COOH 0,9 N. ¿Cuál será la normalidad de la solución resultante? Solución: V1 = 40 mL N1V1 + N2V2 = N3V3 N1 = 0,5 0,5(40) + 0,90(120) = N3 (160) V2 = 0,12 L 20 + 108 = 160 N3 = 120 mL N3 = 128 = 0,8 N2 = 0,75 160 Nf = N3 = ? Vf= V3 = 160mL 4. ¿Cuántos gramos de Hidróxido de Aluminio son necesarios para preparar medio litro de solución 0,75 N (Al=27) Solución: W Al(OH)3 = ? N = W W = N . Pe . V V = 0,5 L PeV W = 0,75 x 26 x 0,5 N = 0,75 Pe = Pm Pm Al(OH)3 = 78 #OH Pe = 78 / 3 = 26 Pe =26 5. Para neutralizar una disolución que contiene 4,5g de ácido se necesitan de 50mL de una disolución 2M de un álcali dibásico. ¿Cuál será el peso equivalente del ácido? Solución: ÁCIDO BASE W = 4,5g V = 50mL Pe = ? M = 2 f = 2 N = 4 # Eq. Ácido = # Eq. BASE W = N.V Pe Cf = 27 % N = 7,5 M = 2,5 N3 = 0,8 W = 9,75g 379 Pe = 4,5 = 4,5 4 x 0,05 0,2 6. determine el pH de una solución diluida Na OH cuya concentración es 10 -7 M. a) 5,2 b) 2,2 c) 8,0 d) 6,9 e) 7,0 Solución Si la concentración de NaOH es 10 -7 M. Entonces [OH-] = 10 -7 ya que solo tiene un grupo OH. SI [OH+] [OH-] = 10-14 [OH-] = 10-14 / [OH-] ==> [H+] = 10-14 = 10 -7 10 -7 Si [H+] = 10 -7 pH = 7 ya que [H+] = 10 -pH Rpta. e 7. Calcule el pH de una solución al disolver 37g de Ca (OH)2 en 20L de agua P.A. [Ca] = 40 a) 10,5 b)12, 7 c) 13,0 d) 13,5 e) 14 Solución Peso Ca [OH] 2 = 74 g Volumen = 20 L La concentración debe expresarse en mol/L ð encontramos el número de moles = n n = Peso Ca [OH]2 Peso molecular del Ca [OH] 2 Peso molecular del Ca [OH] 2 = P.a.Ca + 2 P.a.O + 2 P.a.H = 40 + 2 (16) + 2 (1) = 40 + 32 + 2 = 74 El peso molecular en gramos = 74 g /mol => n = 37 g = 0,5 mol 74g /mol => [Ca (OH) 2] = 0,5 mol = 0,025 mol/L 20 L Luego [OH-] = 2 [Ca (OH) 2] Por tener la base 2 grupos OH – [OH-] = 2 (0,025) mol/L [OH-] = 0,05 mol /L pOH = - log [ OH - ] pOH = - log [ 5 x 10 -2 ] ( Log 5 = 0,7) pOH = - log [ 5 ] + 2 Log 10 pOH = -0,7 + 2 pOH = 1,3 Luego pH + pOH = 14 à pH = 12,70 Rpta:b Pe=22,5
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