Las disoluciones. Definiciones y ejemplos

Las disoluciones son mezclas homogéneas de sustancias en iguales o distintos estados de agregación. La concentración de una disolución constituye una de sus principales características. Bastantes propiedades de las disoluciones dependen exclusivamente de la concentración. Su estudio resulta de interés tanto para la física como para la química.

El estudio de los diferentes estados de agregación de la materia se suele referir, para simplificar, a una situación de laboratorio, admitiéndose que las sustancias consideradas son puras, es decir, están formadas por un mismo tipo de componentes elementales, ya sean átomos, moléculas, o pares de iones. Los cambios de estado, cuando se producen, sólo afectan a su ordenación o agregación.

Sin embargo, en la naturaleza, la materia se presenta, con mayor frecuencia, en forma de mezcla de sustancias puras. Las disoluciones constituyen un tipo particular de mezclas. El aire de la atmósfera o el agua del mar son ejemplos de disoluciones. El hecho de que la mayor parte de los procesos químicos tengan lugar en disolución hace del estudio de las disoluciones un apartado importante de la química-física.

Combinación mezcla y disolución

Conceptos fundamentales

La separación de un sistema material en los componentes que lo forman puede llevarse a cabo por métodos físicos o por métodos químicos. Los primeros incluyen una serie de operaciones tales como filtración, destilación o centrifugación, en las cuales no se produce ninguna alteración en la naturaleza de las sustancias, de modo que un simple reagrupamiento de los componentes obtenidos tras la separación dará lugar, nuevamente, al sistema primitivo. Los segundos, sin embargo, llevan consigo cambios químicos; la materia base sufre transformaciones que afectan a su naturaleza, por lo que una vez que se establece la separación, la simple reunión de los componentes no reproduce la sustancia original.

Las nociones científicas de combinación, mezcla y disolución tienen en común el hecho de que, en todos los casos, intervienen dos o más componentes, a pesar de lo cual presentan diferencias notables. Una combinación química es una sustancia compuesta formada por dos o más elementos cuyos átomos se unen entre sí mediante fuerzas de enlace. Sus entidades elementales, ya sean moléculas, ya sean pares iónicos, son iguales entre sí, y sólo mediante procedimientos químicos que rompan tales uniones es posible separar los elementos componentes de una combinación.

Las mezclas son sistemas materiales que pueden fraccionarse o separarse en sus distintos componentes por métodos fisicos. Cuando los buscadores de oro lavan sobre el cedazo las arenas auríferas, procuran, mediante un procedimiento físico, separar el barro y los granos de arena de las pepitas del precioso metal. En las salinas, por efecto de la intensa evaporación, el agua del mar se separa en dos componentes: agua propiamente dicha, que en forma de vapor se incorpora al aire, y un conjunto de sales minerales que se acumulan en el fondo hasta que se completa la desecación.

En cierto tipo de mezclas la materia se distribuye uniformemente por todo el volumen constituyendo un sistema homogéneo. 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. En general, el soluto es la sustancia que se encuentra en menor proporción en la disolución y el disolvente la que se encuentra en mayor proporción. Cuando dos sustancias líquidas pueden dar lugar a mezclas homogéneas o disoluciones, se dice que son miscibles.

Una parte homogénea de un sistema se denomina fase. La colonia constituye una disolución en agua y alcohol de ciertas esencias, sin embargo, no es posible determinar dónde está la parte de alcohol, dónde la de agua y dónde la de esencia. Por tal motivo las disoluciones, al igual que las sustancias puras en un estado de agregación determinado, se consideran formadas por una única fase.

La composición de las disoluciones

La concentración de una disolución

Las propiedades de una disolución dependen de la naturaleza de sus componentes y también de la proporción en la que éstos participan en la formación de la disolución. La curva de calentamiento de una disolución de sal común en agua, cambiará aunque sólo se modifique en el experimento la cantidad de soluto añadido por litro de disolución. La velocidad de una reacción química que tenga lugar entre sustancias en disolución, depende de las cantidades relativas de sus componentes, es decir, de sus concentraciones. La concentración de una disolución es la cantidad de soluto disuelta en una "cantidad unidad" de disolvente o de disolución.

Formas de expresar la concentración

Existen diferentes formas dé expresar la concentración de una disolución. Las que se emplean con mayor frecuencia suponen el comparar la cantidad de soluto con la cantidad total de disolución, ya sea en términos de masas, ya sea en términos de masa a volumen o incluso de volumen a volumen, si todos los componentes son líquidos. En este grupo se incluyen las siguientes:

Concentraciones expresadas en unidades físicas

Gramos de soluto por litro de solución

Indica la masa en gramos disuelta en cada litro de disolución. Tiene la ventaja de ser una concentración expresada en unidades directamente medibles para el tipo de disoluciones más frecuentes en química (las de sólidos en líquidos). La balanza expresa la medida de la masa de soluto en gramos y los recipientes de uso habitual en química indican el volumen de líquido contenido en litros o en sus submúltiplos. Su cálculo es, pues, inmediato:

Gramos de soluto en 100 gramos de solución (peso en peso)

Expresa la masa en gramos de soluto disuelta por cada cien gramos de disolución. Su cálculo requiere considerar separadamente la masa del soluto y la del disolvente:

Siendo la masa de la disolución la suma de la del soluto y la del disolvente.

Gramos de soluto en 100 gramos de disolvente

Gramos de soluto por 100 cm³ de solución

Para resolver ejercicios con ésta forma de expresar la concentración suele ser necesario conocer la densidad de la disolución.

Y se debe tener en cuenta un concepto básico: los volúmenes de los líquidos no se suman.

Concentraciones expresadas en unidades químicas

Equivalente gramo

El concepto equivalente gramo (Eg) y su aplicación es importante para el cálculo de soluciones normales y neutralización ácido-base.

El equivalente gramo de un ácido o de una base es la masa de estos que resulta de dividir su mol por el número de iones H⁺ (protones) o de iones OH⁻ (oxhidrilos) que produce una molécula de ácido o de base al ionizarse.

Ejemplo:

Para calcular el equivalente gramo de hidróxido de calcio hallamos el valor de su mol:

Ca(OH)₂: 40 g + 2·(16 g + 1 g) = 74 g

Lo disociamos:

Ca(OH)₂ ⟶ Ca²⁺ + 2·OH⁻

Libera 2 grupos oxhidrilo:

Eg = 37 g

El equivalente gramo de una sal es la masa de esta que resulta de dividir su mol por el número de cargas positivas del catión o por el número de cargas negativas del anión que produce una molécula de sal al ionizarse.

Ejemplo:

Para calcular el equivalente gramo del sulfato férrico hallamos el valor de su mol:

Fe₂(SO₄)₃: 2·56 g + 3·(32 g + 4·16 g) = 400 g

Disociamos la sal:

Fe₂(SO₄)₃ ⟶ 2·Fe³⁺ + 3·SO₄²⁻

Son 6 cargas positivas del catión y 6 cargas negativas del anión sulfato.

Eg = 66,67 g

Soluciones normales

Solución normal de un ácido, de una base o de una sal es aquella que tiene un equivalente gramo del ácido, de la base o de la sal, disueltos en un litro de solución.

La normalidad de una solución se simboliza con la letra "N".

Como vimos, el equivalente gramo del hidróxido de calcio es 37 g. Para preparar una solución normal (1 N) de este pesamos un equivalente gramo de hidróxido de calcio, lo colocamos en un matraz aforado y completamos con agua hasta un litro.

Si deseamos preparar una solución 0,5 N de hidróxido de calcio:

1 N ⟶ 1 Eg ⟶ 37 g

0,5 N ⟶ ½·Eg ⟶ 18,5 g

Molaridad

Es la forma más frecuente de expresar la concentración de las disoluciones en química. Indica el número de moles de soluto disueltos por cada litro de disolución; se representa por la letra "M". Una disolución 1 M contendrá un mol de soluto por litro de disolución, una 0,5 M contendrá medio mol de soluto por litro de disolución, etc. El cálculo de la molaridad se efectúa determinando primero el número de moles y dividiendo por el volumen total en litros:

La preparación de disoluciones con una concentración definida de antemano puede hacerse con la ayuda de recipientes que posean una capacidad conocida. Así, empleando un matraz aforado de 0,250 litros, la preparación de una disolución 1 M supondrá pesar 0,25 moles de soluto, echar en el matraz la muestra pesada, añadir parte del disolvente y agitar para conseguir disolver completamente el soluto; a continuación se añadirá el disolvente necesario hasta enrasar el nivel de la disolución con la señal del matraz.

Molalidad

Para el estudio de ciertos fenómenos físico-químicos resulta de interés expresar la concentración en términos de proporción de cantidad de soluto a cantidad de disolvente. Se emplea entonces la molalidad.

La molalidad de una solución se simboliza con la letra "m".

Indica el número de moles de soluto disuelto en cada kilogramo de disolvente:

Como en el caso de la molaridad, la concentración molal de una disolución puede expresarse en la forma 2 m (dos molal) o 0,1 m (0,1 molal), por ejemplo.

Formalidad

La formalidad de una disolución es el número de pesos fórmula-gramo del soluto contenidos en un litro de disolución. Para solutos que tienen pesos moleculares definidos la molaridad y la formalidad son lo mismo. Así, pues, una disolución 1 molar de ácido sulfúrico es igual que una disolución 1 formal, puesto que el peso molecular del H₂SO₄ es el mismo que su peso formular, 98,08.

Para solutos que no tienen pesos moleculares verdaderos, como las sales e hidróxidos, no es estequiométricamente correcto referirse a moles, pero puede hacerse uso del peso fórmula-gamo.

Es común, sin embargo, que muchos químicos empleen todavía el término "peso molecular" para el peso formular de dichas sustancias, "mol" por peso fórmula-gramo y "molaridad" por formalidad.

La formalidad de una solución se simboliza con la letra "F".

Ejemplo:

Una disolución formal de NaOH contiene 40 g de NaOH por litro de disolución, puesto que el peso formular del NaOH es 40. Los químicos que hablan de una disolución molar de hidróxido de sodio se refieren a lo que denominamos aquí una disolución formal.

Fracción molar

Es otro método para expresar la concentración de una solución que se utiliza con frecuencia. La fracción molar es la comparación de los moles de soluto respecto a los moles de la solución.

Una definición más extensiva es: la relación que existe entre el número de moles de un determinado soluto y el número total de moles de los otros solutos más el número de moles del solvente.

La fracción molar de una solución se simboliza con "ƒm".

Ejemplo:

¿Cuál es la fracción molar de sal de una solución formada por 2 moles de sal y 8 moles de agua?

El total de moles es 8 + 2, la fracción molar de sal es ⅕ o 0,2 ƒm. Adviértase que la suma de las fracciones molares de todos los componentes de la solución debe ser siempre igual a 1.

Ejercicio de aplicación: cálculo de concentraciones

Se mezclan 5,00 g de cloruro de hidrógeno (HCl) con 35,00 g de agua, formándose una disolución cuya densidad a 20 °C es de 1,060 g/cm³. Calcúlese:

a) El tanto por ciento en peso.

b) La concentración en gramos por litro.

c) La molaridad

d) La molalidad.

Desarrollo

Datos:

g de HCl = 5,00 g

g de H₂O = 35,00 g

δ = 1,060 g/cm³

t = 20 °C

Fórmulas:

Solución

a)

Tanto por ciento. Se trata de calcular el número de gramos de soluto por cada cien gramos de disolución, es decir:

Resultado, el tanto por ciento en peso es:

% = 12,5 % de HCl

b)

Gramos/litro. Puesto que los datos están referidos a masas y no a volúmenes, es necesario recurrir al valor de la densidad y proceder del siguiente modo:

1. Se calcula la masa de un litro de disolución:

m = V×δ = 1.000 cm³·1,060 g/cm³ = 1.060 g

2. A partir del valor del tanto por ciento en peso se determina la masa en gramos del soluto contenida en la disolución:

masa de HCl = 12,5·1.060 g/100

Resultado, la concentración en gramos de soluto (HCl) por litro de disolución es:

Masa de HCl = 132,5 g

c)

Molaridad. Dado que:

Sustituyendo resulta:

Resultado, molaridad de la disolución es:

M = 3,63 M

Donde 36,47 es la masa molecular del HCl y, por tanto, la masa de su mol expresada en gramos.

De lo anterior se deduce que, cuando los datos del volumen de la disolución no son explícitos, el cálculo de la molaridad implica las etapas (a) y (b) como pasos intermedios.

d)

Molalidad. De acuerdo con su definición:

Sustituyendo se tiene:

Resultado, molalidad de la disolución es:

m = 3,92 m

Bibliografía:

Héctor Fernández Serventi. "Química general e inorgánica". Losada S. A., Buenos Aires.

Robert C. Smoot y Jack Price. "Química, Un curso moderno". Compañía Editorial Continental S. A., México.

Apuntes de clase.

Autor: Ricardo Santiago Netto. Argentina

¿Cuál es el soluto y el solvente? ¿Qué son las diluciones en química?