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Velocidad de difusión de los sólidos en el agua

Introducción

Muchas observaciones nos han demostrado que las moléculas de substancias disueltas (solutos) se encuentran en constante movimiento en una solución. Las corrientes de convección de los fluidos se estudian colocando tintes calientes en el fondo de un vaso de laboratorio lleno de fluido transparente. La difusión del vapor de gas (NH3) en una solución de agua con tinte tornasol azul nos ofrece una manera de observar la difusión. A troves del microscopio puede observarse que finas partículas de sólidos suspendidas en el agua u otros líquidos se mueven al azar. El movimiento de estas partículas es el resultado de muchos choques entre moléculas microscópicas. A medida que la temperatura aumenta, el número de choques de estas moléculas aumenta, y las particulas visibles parecen moverse más rápidamente.

Sin embargo, las partículas de diferentes compuestos no se mueven a velocidades idénticas. Tintas de diferentes colores colocadas en el agua se difunden a velocidades diferentes, a pesar de que la temperatura del agua se mantiene constante.

La velocidad del movimiento de las partículas visibles depende de la temperatura. También parece depender de otros factores. Uno de estos factores puede ser el tamaño de la partícula. Es decir, la fuerza de gravedad puede disminuir la velocidad de difusión ascendente de las partículas de Masa relativamente grande. Los iones de sales disueltas en agua pueden comportarse de manera similar. Si la velocidad de difusión ascendente depende del poso molecular de un ion, entonces las sales de poso molecular elevado se difundirán mas despacio que las sales de peso molecular reducido, siempre y cuando el agua no sea agitada y permanezca a una temperatura constante.

Experimento

Procedimiento: Dos cilindros graduados de 100 ml. fueron llenados con 100 ml. de agua clara cada uno.

Un cristal de CuSO4 de 1,05 gramos masa (Ca++ es azul) fue colocado delicadamente en el fondo de un cilindro; un cristal de K2Cr2O7 (Cr2O7-- es narranja) de 1,07 gramos fue colocado en el fondo del otro cilindro. Se registró la altura de los cristales, determináadose de este modo el punto de difusión cero en los cilindros. Se registraron las alturas de las soluciones coloreadas de ambas sales a intervalos de una hora.

Resultados:

Los resultados se presentan a continuación:

Temperatura ambiente 28 C.
Peso del CuSO4 1,05 gr.
Peso del CuSO4 K2Cr2O7 1,07 gr.
Peso molecular del CuSO45H2O 249,70
Peso molecular del K2Cr2O7 294,00
Peso molecular del Cu++ 64,00
Peso molecular del Cr2O7-- 216,00

 

Número de la

Lectura

Tiempo Nivel de la

Solución de K2Cr2O7

Diferencia los niveles Velocidad de

Difusión

1. 9:00 4,6 ml.    
2. 10:00 8,8 4,2 ml. 4,2 ml/hr.
3. 11:00 13,2 4,4 4,4
4. 12:15 19,3 6,1 4,9
5. 13:00 22,8 3,5 4,7
6. 14:00 27,1 4,3 4,3
7. 15:00 31,1 4,0 4,0
8. 16:00 35,4 4,3 4,3
Total 7 horas   30,8 ml. Prom. 4,4 ml/hr.

 

Número de la
Lectura
Tiempo Nivel de la
Solución de CuSO
4
Diferencia los niveles Velocidad de
Difusión
1. 9:00 2,8 ml.    
2. 10:00 16,0 13,2 ml. 13,2ml/hr.
3. 11:00 29,8 13,8 13,8
4. 12:15 46,9 17,1 13,7
5. 13:00 57,4 10,5 13,0
6. 14:00 71,2 13,8 13,8
7. 15:00 84,4 13,2 13,2
Total 6 horas   81,6 ml. Prom. 13,6ml/hr.

Difusión vs. Tiempo

Discusión

Los resultados fueron bastante consistentes: se obtuvieron curvas líneales que mostraron que la velocidad de difusión de cada sal era constante. Sin embargo, sales diferentes parecían difundirse a velocidades distintas - la velocidad del sulfato de cobre era tres voces mayor que la del dicromato de potasio. No obstante, esta proporción no es inversamente proporcional a los pesos moleculares de las dos sales: es decir, aunque el peso molecular del dicromato de potasio es aproximadamente 1,2 veces el del sulfato de cobre, el sulfato de cobre no se difundió a una velocidad de difusión igual a 1,2 veces la del dicromato de potasio.

Pero las velocidades de difusión parecieron estar relacionadas a los posos moleculares de los iones coloreados: el Cr2O7-- (su poso molecular es 216) se movió a una velocidad igual a un tercio de la velocidad del Ca++ (su peso molecular es 64). La hipótesis pudo haber sido correcta si hubiera dicho "Si el poso molecular del ion indicador es elevado, entonces la velocidad de difusión ascendente a través de una solución de agua es lenta, siempre y cuando el agua no sea agitada y la solución permanenza a una temperatura Constante".

Sin embargo, otros factores pueden influenciar la velocidad de difusión: el ion cobre tiene una carga positiva en comparación con la carga negativa del ion dicromato. Un ensayo en el que se utilicen iones de la misma carga podría ofrecer una prueba más definitiva para la hipótesis. Asimismo, es posible que los iones no observados en el experimento, SO4-- y K+, hayan afectado los resultados del experimento. Utilizando un ion indicador común con diferentes iones invisibles, se puede determinar el efecto del ion no observado.

La gravedad puede ser el factor responsable de que el peso molecular influenya la velocidad de difusión. Si hubiéramos suspendido los cristales de la sal en la parte superior del solvente y medido las velocidades en que las sales se difunden hacia abajo a través de la solución, es posible que se hubiera registrado un resultado opuesto tal vez el ion más pesado se hubiera difundido a una mayor velocidad. Podemos someter la hipótesis (que el peso determina la velocidad de difusión) a otra prueba tapando un cilindro graduado con un corcho y colocándolo sobre uno de sus lados. De esta manera la sal se difundirá de manera horizontal y la gravedad no influenciará la velocidad de difusión.

Demasiadas dudas surgieron durante el experimento como para que aceptemos los resultados como convincentes para una hipótesis, las cargas de los iones coloreados eran diferentes, obviamente los iones no coloreados era diferentes, y solo se probó la difusión ascendente.

Resumen

Se llevó a cabo un experimento para observar la relación entre la velocidad de difusión de un ion y su poso molecular. Se colocó un cristal de CuSO4 en el fondo de un cilindro graduado lleno de agua clara, y en otro cilindro se colocó un cristal de K2Cr2O7, y cada hora se registraron las alturas que habían alcanzado las soluciones coloreadas. Se descubrió que las velocidades de difusión de los iones eran constantes y que variaban inversamente en relación a sus pesos moleculares. Surgieron dudas sobre la validez del experimento debido a que los iones utilizados tenían cargas diferentes y no se consideraron 105 iones no observados.

 

Solubilidad

Introducción

Si se deja caer un terrón de sal de mesa en un vaso de laboratorio lleno de agua, la sal desaparecerá gradualmente. Se dice que la sal se disuelve en el agua. Un examen cuidadoso del agua bajo el microscopio no revela la sal disuelta. Analizando el agua podemos determinar que la sal se encuentra en el agua. Las moléculas de sal se han mezclado con las moléculas del agua, de manera que puede detectarse el mismo grado de salobridad en todas las partes del agua. Puede añadirse más sal; ésta también se disolverá. Pero si se continúa este proceso de añadir sal, se llegará a un punto en que la sal ya no se disuelve. Parte de 1a sal permanece en el fondo del vaso de laboratorio. Una mezcla de cualquier concentración de sal disuelta y agua es una solución.

La sal es un compuesto formado de iones positivos de un metal o radical y de iones negativos producidos cuando ciertos ácidos transfieren protones a una basee. Por esta definición, todas las sales verdaderas son substancias electrovalentes. Son electrólitos fuertes y están completamente ionizados en soluciones acuosas, i.e., este tipo de solución será conductora de corriente.

El agua es un disolvente dipolo. La molécula de agua contiene enlaces polarcovalentes que se encuentran distribuidos asimétricamente; estas son regiones negativas y positivas formadas en la molécula de agua.

Cuando se dejan caer unos cuantos cristales de sal en un vaso de laboratorio, los dipolos del agua ejercen inmediatamente una fuerza de atracción sobre los iones que forman las superficies de los cristales. El extremo negativo (oxigeno) de varios dipolos del agua ejercen una fuerza de atracción sobre el ion positivo sodio. Asimismo, el ion negativo cloruro recibe la fuerza de atracción del extremo positivo (hidrógeno) de otros dipolos del agua. Esto debilita el enlace que une a los iones sodio y cloruro en la. estructura del crital similar a un enrojado, haciendo que se desprendan y difundan a troves de la solución, enlazados libremente a estas moléculas de agua (solvente). De esta manera el cristal de sal se disuelve gradualmente y los iones (Na y Cl) se difunden en toda la solución. La atracción de las moléculas de agua a los iones de sal se llama hidratación.

La velocidad en que la sal se disuelve puede ser aumentada por medio de tres métodos distintos. Revolviendo se separan los iones liberados de la estructura del cristal, de manera que otros iones pueden ser atacados por los dipolos del agua. Rompiendo los cristales en pedazos más pequeños se aumenta la superficie total del NaCl, permitiendo que más iones entren en contacto con la solución. El calentamiento también aumenta la solubilidad de la substancia y una mayor cantidad puede ser disuelta a temperaturas más elevadas.

Una hidratación extensa o la disolución de iones de sal compromete una gran porción de las moléculas del solvente. Esto reduce el número de moléculas de agua libres en el espacio que separa los iones hidratados de carga opuesta. La atracción entre los iones se vuelve más fuerte y los cristales comienzan a formarse nuevamente.

No todas las salas son solubles en agua. El cloruro de plata es una sal blanca que no se disuelve en el agua. Muchas otras sales también son insolubles en agua. Pero 12 cantidad de cada sal soluble que pasa a formar parte de la solución es diferente. A partir de experiencias de laboratorio anteriores con cristales de sulfato cúprico se ha comprobado que se necesita una gran cantidad de esta sal para formar una solución saturada a 100C. Pero una cantidad similar de cloruro de sodio disuelto en la misma cantidad de agua a la misma temperatura dejara muchos cristales en el fondo del vaso de laboratorio.

Existe una gran diferencia en el peso molecular entre el sulfato cúprico (Peso molecular 159,94) y el cloruro de sodio (Peso molecular 485). Tal vez usando otras sales se podría encontrar una relación entre el paso molecular y la solubilidad.

Si el peso molecular de una sal soluble es elevado, entonces la cantidad de esta sal que formará parte de la solución a los 100 C también será elevada.

Experimento

Instrumentos: Se utilizaron las siguientes sales solubles deshidratadas:

1. Yoduro de calcio CaI
2. Cloruro cúprico CuCl2
3. Sulfato cúprico CuSO4
4. Bromuro férrico FeBr2
5. Cloruro ferroso FeCl2
6. Carbonato de potasio K2CO3
7. Dicromato de potasio K2Cr2O7
8. Carbonato de sodio Na2CO3
9. Cloruro de sodio NaCl
10. Dicromato de sodio Na2Cr2O7
11. Cromato de sodio Na2CrO4
12. Nitrato de sodio NaNO3
13. Cloruro de amonio NH4Cl
14. Sulfato de amonio (NH4)2SO4

Procedimiento: Se posaron 100 gramos de sal deshidratada sobre papel. De estos 100 gramos se añadieron pequeñas cantidades a 100 ml. de agua destilada con una temperatura de 80C. Se revolvió la solución hasta que la sal se hubo disuelto y entonces se añadió más sal. Primero se añadió sal al agua destilada con una temperatura de 80C para acelerar el proceso, a la vez que se tenía cuidado de no añadir demasiada sal. Cuando la sal comenzó a disolverse muy lentamentamente en el agua, sé elevo la temperatura a 100C y la solución fue revuelta. Si toda la sal se disolvía, se añadían pequeñas cantidades de 0,1 gramos o menos. Se repitió esta operación hasta que quedaron unos cuantos cristales luego de revolver durante cinco minutos. Se posó y registró la sal que quedó en el papel. Se repitió este proceso con todas las salas.

El producto de solubilidad (P.S) es la cantidad de sal que pasara a formar parte de la solución a una temperatura dada. En nuestro experimento la temperatura fue 100. El producto de solubilidad se calcula determinando el número de molécula gramos disueltos en un litro de agua.

P.S. = [(10 moles) / (G.P.M.)] x [(gramos de sal disueltos) / (1 litro de agua)] = moles / litro

Resultados

Los resultados se presentan a continuación en forma de tabla:

A) Temperatura mantenida a 100C.

B) Las hojas de papel para pasado posan aproximadamente 1,0 gramos.

Tabla 1

No. Sal. (Sal + Papel)
Primera Pesada
(Sal + papel sobrante)
Segunda Pesada
Sal Disuelta
Diferencia.
1. CaI2 103,2 gr. 23,1 gr.. 80,1 gr
2. CuCl2 100,9 50,0 50,9
3. CuSO4 102,8 28,9 73,9
4. FeBr2 101,5 36,2 65,3
5. FeCl3 101,3 49,0 52,3
6. K2CO3 106,2 45,8 60,8
7. K2Cr2O4 97,9 23,1 74,8
8. NaCl 100,7 60,9 39,8
9. Na2CO3 101,2 36,4 44,8
10. Na2Cr2O7 99,6 20,2 79,8
11. Na2CrO4 100,3 43,4 56,9
12. NaNO3 103,8 34,5 39,3
13. NH4Cl 96,9 23,3 73,6
14. (NH4)2SO4 98,3 1,2 97,1
      No es suficiente  
    10,9 7,0 3,9
        101,0

I. Gramos Disueltos vs. Peso Molecular

II. Producto de Solubilidad vs. Peso Molecular

Tabla 2

No. Sal
Molecular
Peso
Disueltos
Gramos
Solubilidad
Producto de
1. NH4Cl 54 73,6 13,61 moles/litro
2. NaCl 58 39,8 6,80
3. NaNO3 85 69,3 8,15
4. NaCO3 106 44,8 4,23
5. (NH4)2SO4 132 101,0 7,65
6. CuCl2 135 50,9 3,77
7. CuSO4 159 73,9 4,64
8 Na2CrO4 162 56,9 3,45
9. K2CO3 174 60,8 3,48
10. FeCl2 200 52,3 2,61
11. FeBr2 216 65,3 3,02
12. CaI2 294 80,1 2,76
13. K2Cr2O7 298 74,8 2,53
14. NaCr2O7 298 79,4 2,66

 

Sales de sodio

Tabla 3

Sal Peso
Molecular
Gramos
Disueltos
Producto de
Solubilidad
NaCl 58,5 39,8 gramos 6,80 moles/litro
NaNO3 85,0 69,3 0,15
Na2CO3 105,0 44,8 4,23
Na2CrO4 162,0 56,9 3,45
Na2Cr2O7 298,0 79,4 2,66

 

Sales del ácido clorhídrico

Tabla 4

Sal Peso
Molecular
Gramos
Disueltos
Producto de
Solubilidad
NH4Cl 54,0 73,6 gramos 13,61 moles/litro
NaCl 58,5 39,8 6,80
CuCl2 130,0 50,9 3,77
FeCl2 200,0 52,3 2,61

Discusión

Posibles errores mientras se llevaba a cabo este experimento pueden haber dado como resultado un pesado inadecuado o la adición de demasiada sal. Era necesario añadir un poco de sal adicional para saber cuándo se había alcanzado el punto de saturación. Pero la misma cantidad de cristales pudieron no haber sido añadidos en exceso, ocasionando por lo tanto un pequeño error. Sin embargo., se considera que este error no es lo suficientemente grande como para afectar significativamente nuestros resultados. Considerando los resultados, es evidente que el poso molecular no está relacionado a la cantidad de sal disuelta.

Cuando se compara el producto de solubilidad con los pasos moleculares, se obtiene una curva irregular. Se podría adaptar una cueva a la información, la cual demuestre que la alta solubilidad ocurre en las sales de peso molecular bajo, y la baja solubilidad ocurre en las sales de peso molecular elevado. Pero esta curva no esta lo suficientemente definida como para aceptar esta hipótesis con la información aquí presentada.

Las interpretaciones presentadas hasta el momento se refieren a una selección de sales al azar. Es posible que las sales que tienen un ion común ofrezcan alguna información útil. En nuestra muestra tenemos cinco sales con un ion positivo común -sodio. Estas son NaCl, Na2CO3O7, NaCrO4 y NaNO3. Hay cuatro sales con un ion negativo común -cloruro. Estas son CuCl2, NaCl, NH4Cl y FeCl3. La información concerniente a estas sales puede encontrarse por separado en las tablas 3 y 4.

No se observa una tendencia prominente en las sales con iones comunes cuando se compara la cantidad disuelta con el paso molecular. Pero cuando se diagrama el producto de solubilidad versas el paso molecular parecería que el poso molecular si afecta el producto de solubilidad ya que se obtiene una curva relativamente pareja. Con nuestra limitada información sobre sales con un ion común podemos decir que su producto de solubilidad es inversamente proporcional al poso molecular de la sal.

Resumen

Se llevó a cabo un experimento para comprobar la hipótesis de que la cantidad de sal que pasará a formar parte de la solución depende de su peso molecular. La información que se obtuvo fue tan irregular que no se podo respaldar la hipótesis. Sin embargo, se formuló una hipótesis alternativa que enunciaba que la solubilidad de la sal depende de su paso molecular. En parte, la información respalda la hipótesis. No obstante, se halló que la información es insuficiente como para formular un enunciado categórico a este respecto y se necesitará una investigación más extensa de este punto.


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