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EL AGUA.COMPOSICIÓN y ESTRUCTURA ATÓMICA y MOLECULAR

El agua es la sustancia más abundante en la superficie de la Tierra, constituyendo un porcentaje muy elevado de la masa corporal de los seres vivos ( animales y vegetales). Sin agua no hay vida. Los datos son los mejores exponentes: el 60% de nuestro cuerpo es agua. En un bebé el 80% de su peso es agua y en las personas mayores el porcentaje desciende hasta el 50%. El agua forma el 85% de la sangre, el 90% del cerebro, el 13% de la piel y casi el 70% de los músculos. El 60% del agua corporal se encuentra en el interior de las células y el resto es la que circula en la sangre y baña los tejidos. El cuerpo humano pierde agua por distintas vías, siendo necesario recuperarla para evitar la deshidratación. En la siguiente figura se resume las vías por las que ganamos o perdemos agua, con las cantidades referidas a un día.

BALANCE HÍDRICO DIARIO Ganancias de agua

Pérdidas de agua Orina: 1,5 L

Bebida: 1,5 a 2 L Comida: 700 mL 1

Metabolismo : 300 mL celular (1)

Pulmones: 400 mL Piel: 350 mL Heces: 150 mL

En las reacciones de combustión de los nutrientes que tienen lugar en el interior de las células para obtener energía, se producen pequeñas cantidades de agua. A esta agua se la llama agua metabólica. Por ejemplo, se produce 1 g de agua por cada gramo de grasa que quemamos.

Como todas las formas de vida en la Tierra dependen del agua, el agua dulce es un bien muy preciado. Alrededor del 97% del agua de nuestro planeta es salada y por tanto no es apta para el consumo humano. Sorprendentemente, las tres cuartas partes del agua dulce de la Tierra están retenidas en los glaciares y los casquetes polares, de manera que los lagos y los ríos, principales fuentes de agua de consumo de nuestra sociedad, tan sólo constituyen un 0,01 % del recurso hídrico de nuestro planeta. El agua es una sustancia líquida formada por la combinación de dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno. Hasta el siglo XVIII se creyó que el agua era un elemento, fue el químico inglés Henry Cavendish quien sintetizó agua a partir de una combustión de aire e hidrógeno. Sin embargo los resultados de este experimento no fueron interpretados hasta años más tarde, cuando Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto formado por oxígeno y por hidrógeno, siendo su formula H2O.

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ESTADO NATURAL El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. El hielo, el granizo, la escarcha y la nieve son ejemplos de agua en estado sólido, los ríos y mares , la lluvia o el rocío de agua en estado líquido, y agua en estado de gas la encontramos en el aire, en las nubes (también contienen agua líquida e incluso pueden contener agua en estado sólido), en la niebla (también contienen agua líquida).. Debido al gran poder disolvente que tiene el agua es muy difícil encontrar agua pura en la naturaleza. El agua natural, el agua que encontramos en la naturaleza, que discurre sobre la superficie de la Tierra o por acuíferos subterráneos, está mezclada con diversas sustancias: · · · · ·

Dióxido de carbono CO2 , que procede de la atmósfera o del suelo. Oxígeno, que procede de la atmósfera. Bacterias y partículas orgánicas, que provienen del mundo animal y vegetal. Partículas sólidas, procedentes de la erosión de las rocas superficiales. Especies químicas iónicas, como sodio, potasio, carbonatos, …e incluso metales pesados solubles

PROPIEDADES El agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido. Tiene un cierto color azul cuando se concentra en grandes masas. A la presión atmosférica normal (1 atm o 760 mm de mercurio), el punto de fusión del agua pura es de 0ºC y el punto de ebullición es de 100ºC . Una característica singular del agua es que alcanza su máxima densidad ( 1 g /cm3 ) a los 4° C. Cuando se enfría hasta 0°C y cuando solidifica, su volumen aumenta y su densidad disminuye, lo que hace posible que el hielo flote en el agua .

Los cubitos de hielo flotan en el agua

Los cubitos de aceite se van al fondo al echarlos en aceite líquido. Este es el comportamiento general de los líquidos.

El calor específico del agua ( 4180 J/°C·kg) es superior a la de cualquier otro líquido o sólido. Esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el

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clima (las grandes masas de agua de los océanos tardan más tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre). Su excepcional importancia, desde el punto de vista químico, reside en que casi la totalidad de los procesos químicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino también en la superficie no organizada de la tierra, así como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolución. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella. La molécula de agua libre y aislada, formada por un átomo de Oxigeno unido a otros dos átomos de Hidrogeno, es triangular. El ángulo de los dos enlaces (H-O-H) es de 104,5º y la distancia de enlace O-H es de 0,96 A. Se trata de enlaces covalentes, mediante compartición de electrones entre el átomo de oxígeno y cada átomo de hidrógeno. 0

Átomo de O

0’96 A

104,8° Átomos de H

Molécula de agua

La molécula de agua es polar (los hidrógenos acumulan carga positiva y el oxígeno carga negativa , aunque en conjunto sea neutra). La atracción entre las moléculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de moléculas, que explica el elevado punto de ebullición del agua (100 °C). La fuerza de atracción entre el hidrógeno de una molécula con el oxígeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de puente de hidrógeno. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua sólida .

Puentes de H entre moléculas de agua

Se puede obtener agua en un laboratorio haciendo reaccionar hidrógeno con oxígeno, según la siguiente reacción, en la que se indican las proporciones que necesitamos de hidrógeno y 3


de oxígeno y la que obtendremos de agua, tanto si nos referimos a volúmenes de gases como a las masas:

2 H2 (gas) 2 Litros 4 g

+ O2 (gas)

→ 2 H2O (gas)

1 Litro 32 g

2 Litros 36 g

Actividad 1 : A partir de la reacción de obtención del agua, completa la siguiente tabla: Hidrógeno a)

Oxígeno

Agua

40 L

b)

13 L

c)

500 mL

Solución: a)

Cálculo del volumen de oxígeno necesario:

En la reacción vemos que la proporción a la que reaccionan es de 2 L de hidrógeno por cada litro de oxígeno, luego si en este caso se han puesto 40 L de hidrógeno, necesitaremos poner la mitad, 20 L de oxígeno. Si fuera necesario podríamos plantear la siguiente proporcionalidad directa ( regla de tres) para hacer el cálculo anterior:

Si 2 L hidrógeno reaccionan con 1 L oxígeno = 40 L hidrógeno reaccionarán con x L oxígeno

x=

40 × 1 = 20 L 2

Cálculo del volumen de agua obtenida: En la reacción vemos que por cada 2 L de hidrógeno que pongamos, obtendremos 2 L de agua , luego si en este caso se han puesto 40 L de hidrógeno, obtendremos la misma cantidad de agua , 40 L de agua. Si fuera necesario podríamos plantear la siguiente proporcionalidad directa ( regla de tres) para hacer el cálculo anterior:

Si 2 L hidrógeno se obtienen 2 L agua = 40 L hidrógeno se obtendrán x L agua

x=

40 × 2 = 40 L 2

Los casos b y c se resolverían de la misma manera que hemos resuelto el caso a. 4


La tabla completa debe quedar como sigue: Hidrógeno

Oxígeno

Agua

a)

40 L

20 L

40 L

b)

26 L

13 L

26 L

c)

500 mL

250 mL

500 mL

Actividad 2: A partir de la reacción de obtención del agua, completa la siguiente tabla: Hidrógeno a)

Oxígeno

Agua

60 g

b)

8 kg

c)

90 g

Solución: a)

Cálculo de la cantidad (masa) de oxígeno necesario:

Vemos en la reacción de formación del agua, que cada 4 g de hidrógeno deben reaccionar con 32 g de oxígeno. Planteamos la siguiente proporcionalidad directa (regla de tres):

Si 4 g hidrógeno reaccionan con 32 g oxígeno = 60 g hidrógeno reaccionarán con x g oxígeno

x=

60 × 32 = 480 g 4

Cálculo de la cantidad (masa) de oxígeno necesario: Vemos en la reacción de formación del agua, que con 4 g de hidrógeno se obtienen 36 g de agua. Planteamos la siguiente proporcionalidad directa (regla de tres):

Si con 4 g hidrógeno se obtienen 36 g agua = Con 60 g hidrógeno se obtendrán x g agua

x=

60 × 36 = 540 g 4

Los casos b y c los resolveremos de modo análogo a como hemos resuelto el caso a. La tabla completa debe quedar como sigue: 5


Hidrógeno

Oxígeno

Agua

a)

60 g

480 g

540 g

b)

1 kg

8 kg

9 kg

c)

10 g

80 g

90 g

Actividad 3: Determinar, a partir de los datos proporcionados en la reacción de formación del agua, la composición centesimal de la misma. Solución: La composición centesimal de una sustancia es el tanto por ciento de cada uno de los elementos que forman parte de la molécula de esa sustancia. Como sabemos , la molécula de agua está formada por dos elementos: hidrógeno y oxígeno. Lo que nos piden es que calculemos qué tanto por ciento de la masa del agua corresponde al hidrógeno y qué tanto por ciento corresponde al oxígeno. Vemos en la reacción anterior que para formar 36 g de agua se necesitan 4 g de hidrógeno y 32 g de oxígeno. El tanto por ciento de cada elemento es:

%H =

masa de hidrógeno ×100 4 ×100 = = 11,11% masa de agua 36

%O =

masa de oxígeno ×100 32 ×100 = = 88,89% masa de agua 36

Actividades (Para resolverlas, debemos utilizar los datos proporcionados en la reacción de formación de agua) 1. En un recipiente cerrado se han introducido 300 L de hidrógeno y 150 L de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura. Mediante una chispa, producimos la reacción para obtener agua. ¿Cuántos litros de agua se obtendrán? Sol.:300 L 2. Si la masa de los 300 L de hidrógeno y los 150 L de oxígeno del apartado anterior es de 26,8 g y 214,3 g, respectivamente ¿qué masa de agua habrá al final en el recipiente del apartado anterior? Sol.:241,1 g 3. A partir de 2 kg de agua , ¿qué cantidad de hidrógeno podemos obtener? Sol.:0,222 kg 4. Una fábrica suministra bombonas de oxígeno, conteniendo cada una 6.500 g del gas. ¿ Cuántos gramos de agua podríamos obtener a partir de esa cantidad de oxígeno? Sol.:7312,5 g 5. Si en el recipiente cerrado de la actividad 1 introducimos 600 L de hidrógeno y 600 L de oxígeno, en las mismas condiciones de presión y temperatura, ¿qué ocurrirá cuando hagamos saltar la chispa para obtener agua? Sol.:Se obtendrán 600 L de agua y sobrarán 300 L de oxígeno

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DISOLUCIONES. SU PRESENCIA EN SUSTANCIAS COTIDIANAS. TERMINOLOGÍA EMPLEADA PARA EXPRESAR SUS COMPONENTES (DISOLVENTE, SOLUTO) Y COMPOSICIÓN (PORCENTAJES EN MEZCLAS).

En la Naturaleza no solemos encontrar sustancias puras. La materia se presenta generalmente en forma de mezclas de sustancias puras. En cierto tipo de mezclas la materia se distribuye uniformemente por todo el volumen constituyendo un sistema homogéneo, de manera que no podemos distinguir las sustancias componentes de la mezcla. Ocurre por ejemplo cuando una sustancia sólida se mezcla con un líquido de tal forma que no puede distinguirse de él, se dice que la sustancia ha sido disuelta por el líquido. A la mezcla homogénea así formada se la denomina disolución. En este caso la sustancia sólida recibe el nombre de soluto y el líquido se denomina disolvente. La noción de disolución puede generalizarse e incluir la de gases en gases, gases en líquidos, líquidos en líquidos o sólidos en sólidos. Cuando dos sustancias líquidas pueden dar lugar a mezclas homogéneas o disoluciones, se dice que son miscibles. En caso contrario, que son líquidos inmiscibles, como el aceite y el agua.

DISOLUCIÓN sal

sal

agua

sal

agua

agua

▪ La cantidad de cada componente (agua y sal en estos casos) no es fija. Podemos variarlas a nuestra necesidad. ▪ El agua y la sal no reaccionan. Una vez hecha la disolución, si dejamos evaporar el agua, recuperaremos la sal. ▪ Es homogénea porque , ante la observación visual directa o con microscopio, no apreciamos la existencia de varias partes o fases, ya que las partículas de los componentes son de tamaño molecular. ▪ La sal se distribuye uniformemente en cada recipiente, de manera que , cualquier muestra que cojamos, está igualmente salada (para cada recipiente) [mezcla uniforme].

Con carácter general, la sustancia presente en mayor cantidad suele recibir el nombre de disolvente, y casi siempre es el agua, que como decíamos es el disolvente universal , aunque también puede ser un sólido o un gas , y a la de menor cantidad se le llama soluto y es la sustancia disuelta. El soluto también puede ser un gas, un líquido o un sólido. 7


Hay muchos tipos de disoluciones. Se mencionan a continuación las más importantes: Disoluciones sólido - líquido. Ejemplo: azúcar y agua. El soluto es el sólido y el disolvente el líquido. Disoluciones líquido – líquido. Ejemplo: alcohol y agua. Si preparamos una disolución mezclando 250 cm3 de alcohol y 500 cm3 de agua, el soluto será el alcohol y el disolvente el agua. Disoluciones líquido- gas. Ejemplo: oxígeno y agua. El soluto es el gas, el disolvente el líquido. Disoluciones gas – gas. Ejemplo: el aire. Se considera soluto el oxígeno (21%) y disolvente el nitrógeno (79%) (se considera que el aire está formado sólo por oxígeno y nitrógeno).

Sólido ( azúcar)

disolvente( H2O)

disolución

Cuando un sólido se disuelve en un líquido las partículas que lo forman quedan libres y se reparten entre las moléculas del líquido que se sitúan a su alrededor.

Diversos fluidos humanos son disoluciones, como la sangre , la orina o el sudor . El vino, el vinagre , el aire y el agua del mar, son otros ejemplos de disoluciones.

¿Cuánto soluto se puede disolver en una cantidad dada de disolvente? Podemos contestar que una cantidad máxima. Si vamos añadiendo soluto (p.e. azúcar al agua) poco a poco, observamos que al principio se disuelve sin dificultad, pero si seguimos añadiendo llega un momento en que el disolvente no es capaz de disolver más soluto y éste permanece en estado sólido, en el fondo del recipiente. La cantidad máxima de soluto que se puede disolver recibe el nombre de solubilidad y depende de varios factores: Ÿ De quién sea el soluto y el disolvente. Hay sustancia que se disuelven mejor en unos disolventes que en otros. Ÿ De la temperatura. Normalmente la solubilidad de una sustancia aumenta con la temperatura. Como las disoluciones se pueden preparar mezclando cantidades variables de soluto y disolvente, se hace necesario establecer una forma para poder indicar estas cantidades, lo que se conoce con el nombre de concentración de la disolución.

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Una manera (muy poco precisa) de indicar la concentración de una disolución es con las palabras: diluida, concentrada y saturada. Disolución diluida: aquella que contiene una cantidad pequeña de soluto disuelto. Disolución concentrada: si tiene una cantidad considerable de soluto disuelto. Disolución saturada: la que no admite más soluto. Es fácil entender que expresar la concentración de una disolución usando los términos diluida, concentrada o saturada es muy impreciso, por eso la concentración se expresa de forma numérica en : · gramos de soluto por litro de disolución.

C o n c en tra ció n e n g / L =

g ra m o s d e s o lu to L itro s d e d is o lu c ió n

Observa que en la definición se dice litro de disolución (conjunto de disolvente y soluto) no de disolvente. · gramos de soluto por cada 100 g de disolución (tanto por ciento % en masa).

C o n c e n tra c ió n e n % =

g r a m o s d e s o lu t o ×1 0 0 g r a m o s d e d i s o lu c i ó n

· cm3 de soluto por cada 100 cm3 de disolución (tanto por ciento % en volumen). Sólo se utiliza para las disoluciones de líquido en líquido, como el vino o bebidas alcohólicas, recibiendo en estos casos el nombre de grado alcohólico.

C o n c e n t r a c i ó n % e n v o l. =

v o lu m e n d e s o l u t o ×1 0 0 v o lu m e n d e d i s o lu c i ó n

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Actividad 4: Indica los pasos a seguir para preparar 200 cm de disolución de sal común de

concentración 8 g/L. Solución: Según la definición de concentración en gramos litro dada más arriba, la disolución a preparar contendrá 8 g de sal común en 1 litro (1000 cm3 ) de disolución. Calculamos la cantidad de sal que contendrán los 200 cm3 de disolución:

Si en 1000 cm 3 disolución En 200 cm 3 disolución

=

hay 8 g sal habrá x g sal

x=

200 × 8 = 1, 6 g sal 1000

Estos cálculos de proporcionalidades directas (reglas de tres) se pueden resolver también mediante el método de los factores de conversión. Consiste este método en multiplicar el dato que nos den por factores que representan una identidad o igualdad, teniendo la precaución de que en el numerador y el denominador nos vayan quedando cantidades en la misma unidad, para poderlas eliminar (tachar) excepto una de las unidades, que será la que tenga el resultado final del cálculo que buscamos. 200 cm3 disolución ×

8 g sal 1000 cm3 disolución

= 1, 6 g sal

Para preparar la disolución seguimos los siguientes pasos: 1. Pesamos en una balanza 1,6 g de sal. 2. En un vaso echamos una cantidad de agua inferior a 200 cm3. Por ejemplo 150 cm3. Disolvemos la sal en el agua. Al final del proceso observamos que el volumen ya no es 150 cm3, sino algo más, debido a la presencia del soluto disuelto. 3. Completamos con agua hasta los 200 cm3 que debemos preparar.

200cm 3 disolución 1,6 g sal

3

150 cm agua

1,6 g sal

1. Pesar el soluto

2. Disolver en un volumen de disolvente menor que el de la disolución que hay que preparar.

3. Completar con más disolvente hasta el volumen de disolución pedido.

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Actividad 5: La glucosa, uno de los componentes del azúcar, es una sustancia sólida soluble en agua. La disolución de glucosa en agua (suero glucosado) se usa para alimentar a los enfermos cuando no pueden comer. En la etiqueta de una botella de suero de 500 mL ( 500 cm3 ) aparece: “Disolución de glucosa en agua, concentración 55g/L”. a) ¿Cuál es el disolvente y cuál el soluto en la disolución? b) Ponemos en un plato 50 mL. Si dejamos que se evapore el agua, ¿Qué cantidad de glucosa quedará en el plato? c) Un enfermo necesita tomar 40 g de glucosa cada hora ¿Qué volumen de suero de la botella anterior se le debe inyectar en una hora? Solución: a) El soluto es la glucosa y el disolvente es el agua. b) Al poner en un plato 50 mL del suero, ocurrirá que , con el paso del tiempo, el agua se evaporará, quedando en el fondo del plato la glucosa, que no se evapora. Como la concentración del suero es de 55 g de glucosa por cada 1000 mL de suero, la cantidad de glucosa que nos quede en el plato será:

50 mL suero ×

55 g glucosa = 2, 75 g glucosa 1000 mL suero

Haciendo este apartado mediante una proporcionalidad directa, escribiríamos:

Si en 1000 mL suero hay 55 g glucosa = En 50 mL suero habrá x g glucosa

x=

50 × 55 = 2, 75 g glucosa 1000

c) Como la concentración del suero es de 55 g de glucosa por cada 1000 mL de suero, para que el enfermo “coma” 40 g de glucosa se le deberá inyectar un volumen de suero de:

40 g glucosa ×

1 L suero = 0, 7273 L suero = 727,3 mL suero 55 g glucosa

Haciendo este apartado mediante una proporcionalidad directa, escribiríamos:

Si en 1 L suero hay 55 g glucosa = En x L suero debe haber 40 g glucosa

x=

1× 40 = 0, 7273 L suero 55

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Actividad 6: Disponemos de 500 cm de una disolución de azúcar en agua cuya concentración

es de 20 g/l. Si queremos tener 7 g de azúcar ¿qué volumen de disolución deberemos tomar? Solución: Aprovechamos el dato de concentración para calcular la cantidad de soluto solicitada:

7 g azúcar ×

1 litro disolución = 0,35 L disolución = 350 cm3 disolución 20 g azúcar

Actividad 7 : Preparamos una disolución de bicarbonato en agua, tal que su concentración sea

de 25 g/l. Si tomamos 125 cm3 de esta disolución ¿qué cantidad de bicarbonato estaremos tomando? Solución:

125 cm3 disolución ×

25 g bicarbonato 1000 cm3 disolución

= 3,13 g bicarbonato

Actividad 8 : Hemos preparado un almíbar mezclando 50 g de agua con 30 g de azúcar.

Determinar la concentración del almíbar en tanto por ciento en masa Solución: Debemos de calcular la cantidad de azúcar que habrá en 100 g de disolución (almíbar) : Gramos de soluto (azúcar):

30 g

Gramos de disolvente (agua): 50 g Gramos de disolución:

80 g

Calculamos la concentración en tantos por ciento , aplicando la fórmula vista más arriba:

Concentración en % =

30 g masa soluto ×100 = ×100 = 37,5 % masa disolución 80 g

3

Actividad 9 : Hemos preparado un suero salino agregando 5 g de sal en 250 cm de agua.

¿Cuál será la concentración porcentual de la disolución preparada?. Solución: Como la densidad del agua es la unidad, los 250 cm3 tienen una masa de 250 g . Por tanto podemos escribir lo siguiente: Gramos de soluto (sal):

5g

Gramos de disolvente (agua): 250 g Gramos de disolución:

255 g

Calculamos la concentración en tantos por ciento , aplicando la fórmula vista más arriba:

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Concentración en % =

5 g masa soluto ×100 = ×100 = 1,96 % masa disolución 255 g

Actividad 10 : En la etiqueta de una botella de vino aparece la inscripción 18% vol.

a) ¿ Qué significado tiene?. b)¿Qué cantidad de alcohol ha ingerido una persona que se ha tomado 3 copas de ese vino , si cada copa tiene un volumen de 50 mL? Solución: a) Ese dato es el grado alcohólico del vino, es su concentración en alcohol en tanto por ciento en volumen. Por tanto significa que cada 100 mL de ese vino (disolución) contiene 18 mL de alcohol (soluto). [ En los líquidos 1 mL equivale a 1 cm3 ] b) Al tomar 3 copas , ha ingerido : 3 · 50 = 150 mL de vino, en los que hay: 150 mL vino ×

18 mL alcohol = 27 mL alcohol 100 mL vino

Actividades 1. Si la concentración de una disolución de azúcar en leche es de 10 g/L, ¿qué cantidad de azúcar hay en un vaso de 200 mL de volumen? Sol.:2 g 2. Se desea preparar una disolución de 250 g que tenga un 5 % en masa de cloruro de sodio, ¿qué cantidad de este último debes echar? Cita el nombre del soluto y del disolvente de esta disolución. Sol.:12,5 g NaCl; soluto:cloruro de sodio , disolvente : agua 3. Una bebida alcohólica destilada tiene un grado alcohólico de 40 % vol.¿ Qué volumen de bebida podemos ingerir si no queremos tomar más de 10 mL de alcohol? Sol.:25 mL 4. En un vaso se han puesto 250 g de alcohol junto con 2 g de yodo, que se disuelven completamente. Calcula la concentración de la disolución en % en masa. Sol.:0,8 % 5. Hemos preparado una disolución de cloruro de cobre en agua disolviendo 12 g de cloruro de cobre en 98 g de agua, de forma que una vez completamente disuelta ocupa un volumen de 100 mL. Calcula la concentración en g/L. Sol.:120 g/L 6. Suponiendo que el aire contiene sólo oxígeno y nitrógeno y que de este último hay 39,5 L por cada 50 L de aire , ¿qué porcentaje en volumen hay de oxígeno? Sol.:21%

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El agua