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5. Soluciones

Objetivos

  • Familiarizarse con el vocabulario propio de las soluciones.
  • Conocer y manejar unidades de concentración sencillas.
  • Interpretar el proceso de disolución de una sustancia en términos de las interacciones no covalentes entre soluto y solvente y de la reorganización del soluto y el solvente.
  • Diferenciar entre un proceso de disolución que involucra solo una transformación física de aquellos casos en los que la disolución está mediada por una transformación química.
  • Conocer las propiedades coligativas.

5.1. Composición de las soluciones

Texto

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más componentes. Esta definición ya fue presentada en la Unidad 1, así como los tipos de soluciones que pueden encontrarse de acuerdo con el estado de agregación de sus componentes y las definiciones de soluto y solvente. Recordemos que el término componente indica cada una de las sustancias puras que forman parte de una mezcla. Esta unidad incluye una descripción más detallada de las soluciones.

5.1.1. Soluto y solvente

Texto

Uno de los solventes más comúnmente encontrado es el agua, y son muchos los ejemplos de soluciones acuosas presentes en la vida cotidiana. Así, por ejemplo, en la sangre y en la leche, varias sustancias están disueltas en agua. Otro ejemplo de soluciones acuosas lo constituye el agua de mar, dado que el agua contiene una gran cantidad de sustancias disueltas, siendo el cloruro de sodio el soluto principal. Si bien las soluciones acuosas son, tal vez, las más conocidas, debemos recordar (Unidad 1) que existen otros tipos de soluciones, ya sea con otros solventes líquidos o con otros estados de agregación involucrados, tanto del soluto como del solvente. La mayoría de los ejemplos de la presente unidad se referirán a soluciones acuosas, pero debe tenerse en cuenta que muchos de los conceptos pueden extenderse a los otros tipos de soluciones.

5.1.2. Concentración de una solución. Formas cuantitativas de expresar la composición de una solución

Texto

En la Unidad 1 se indicó que, a diferencia de los compuestos, las mezclas pueden tener proporciones variables de sus componentes. Por ejemplo, se pueden preparar muchísimas –en teoría, infinitas– soluciones de cloruro de sodio en agua, distinguiéndose cada una por la proporción entre estos componentes. El término concentraciónN se usa para especificar la cantidad de soluto disuelta en una cantidad dada de solvente o de solución. La especificación de la concentración de una solución con frecuencia es importante, dado que, para determinados fines, normalmente es necesario emplear una concentración definida. Cuando la concentración de una solución es alta se dice que la solución es concentrada, y cuando es de baja a muy baja, diluida. Los límites entre estos dos extremos son arbitrarios.

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Un ejemplo donde la concentración debe respetarse estrictamente es la solución salina fisiológica, también conocida como solución fisiológica. La misma contiene 0,9 gramos de NaCl disueltos en 99,1 gramos de agua. Es decir, contiene 0,9 gramos de NaCl disueltos en la cantidad de agua necesaria para formar 100 gramos de solución. Esta solución es muy usada en medicina; entre otras funciones, como suero para pacientes deshidratados y en la diálisis. Si su concentración no se respeta estrictamente, las células sanguíneas pueden resultar dañadas, tanto si la solución contiene una proporción mayor de NaCl como una proporción menor.

Distintas presentaciones de solución fisiológica

Texto

Además del ejemplo mencionado, son muchas las situaciones en las que la especificación de la concentración de la solución es un aspecto importante para lograr el resultado buscado. Especificar la concentración simplemente requiere explicitar la cantidad de soluto contenida en determinada cantidad de solvente o de solución, y existen diferentes maneras estandarizadas de expresar estas relaciones. Cada una de estas formas constituye una unidad de concentración. A las unidades de concentración suele dividírselas en dos grandes grupos: las unidades físicas y las unidades químicas. Son unidades físicas las que utilizan unidades de masa o volumen para las proporciones de soluto, solvente y solución. En cambio, las unidades químicas utilizan el mol u otras magnitudes vinculadas con definiciones propias de la química.

 

Tabla 5.1. Unidades de concentración

Medida

Unidad

Definición

% p/p

o también

% m/m

Por ciento peso en peso (o porciento masa en masa)

Gramos de soluto contenidos en 100 gramos de solución

% p/v

o también

% m/v

Por ciento peso en volumen (o porciento masa en volumen)

Gramos de soluto contenidos en 100 ml de solución

% v/v

Por ciento volumen en volumen

Mililitros de soluto contenidos en 100 ml de solución

ppm

Partes por millón

Miligramos de soluto contenidas en un kilogramo de solución

M

Molaridad

Moles de soluto contenidos en 1000 ml de solución

m

Molalidad

Moles de soluto contenidos en 1000 gramos de solvente

xsoluto

xsolvente

Fracción molar

(fracción molar del soluto; fracción molar del solvente)

Número de moles del componente dado, dividido por el número total de moles de los distinto componentes presentes en la solución

Las cuatro primeras formas presentadas en la tabla corresponden a unidades físicas y las tres últimas a químicas. En la unidad “partes por millón” se ha elegido una de las relaciones posibles, y la más usada, entre la cantidad de soluto y de solución.
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Fracción molar

La fracción molar se calcula del siguiente modo. Si se tiene una solución formada por un soluto y un solvente, es decir, dos componentes, se tendrá una fracción molar para el soluto, que se anota xsoluto, y un valor de fracción molar para el solvente, xsolvente. Se calculan mediante:

  \(X_{soluto}=\frac{n_{soluto}}{n_{soluto} + n_{solvente}}\) (5.1)

\(X_{solvente}=\frac{n_{solvente}}{n_{soluto} + n_{solvente}}\) (5.2)

Si la solución tuviera dos solutos entonces la fórmula presentada en la ecuación 5.1 debería aplicarse a cada uno de los solutos, obteniendo xsoluto1 y xsoluto2, además de la fracción molar del solvente. En este caso, el denominador será igual a la sumatoria de los moles del soluto 1, el soluto 2 y el solvente. Por ejemplo:

\(X_{soluto 1}=\frac{n_{soluto 1}}{n_{soluto 1} + n_{soluto 2} + n_{solvente}}\) (5.3)

O sea, en el numerador siempre va el número de moles del componente en cuestión, mientras que en el denominador va la suma de la cantidad de moles de todos los componentes de la solución.

Texto

Retomando las unidades de concentración y a modo de ejemplo, si se desea preparar una solución 10% p/p de glucosa en agua, para hacer 100 gramos de esta solución deberán mezclarse 10 gramos de glucosa con 90 gramos de agua. Una concentración expresada como por ciento volumen en volumen expresa el volumen de soluto disuelto cada 100 volúmenes de la solución. Esta unidad es útil para describir soluciones de dos líquidos o soluciones formadas por gases. Por ejemplo, la concentración de oxígeno del aire es de 21% v/v, lo que implica que 21 ml de oxígeno están contenidos en 100 ml de aire o, en forma equivalente, que 21 litros de oxígeno están contenidos en 100 litros de aire (Tabla 5.2). Esta forma de expresar la concentración también se usa para expresar la graduación alcohólica de las bebidas. En este caso, la graduación alcohólica suele expresarse como la concentración % v/v (ml de alcohol etílico contenidos en 100 ml de bebida).

 

Tabla 5.2. Composición del aire seco a nivel del mar

Componente

Porcentaje en volumen

Nitrógeno, N2

78,085

Oxígeno, O2

20,946

Argón, Ar

0,934

Dióxido de carbono, CO2

0,0314

Neón, Ne

0,00182

Helio, He

0,000524

Metano, CH4

0,00015

Criptón, Kr

0,00011

Hidrógeno, H2

0,000058

Óxido nitroso, N2O

0,000031

Monóxido de carbono, CO

0,00001

Xenón, Xe

8,7 x 10-6

Ozono, O3

(1-50) x 10-6

Amoníaco, NH3

(0,01-1) x 10-7

 

Cuando la proporción de soluto disuelta es muy baja se suelen usar las partes por millónN como forma de expresar la concentración. En este caso se debe establecer la relación entre las partes de soluto, presentes cada un millón de partes de la solución. Por ejemplo, si la cantidad de soluto se expresa en miligramos, habrá que establecer los miligramos de soluto presentes cada un millón de miligramos de solución. Un millón de miligramos de solución es un kilogramo de solución. También puede utilizarse las partes por millón en volúmenes (por ejemplo, ml de soluto contenidos en 1 x 106 ml de solución). Estas dos formas de trabajar con las partes por millón no dan el mismo resultado, no son equivalentes, por lo que siempre habría que indicar si se utiliza masa (ppmm) o volumen (ppmv). Muchas veces se da por sobreentendido a qué tipo de partes por millón se hace referencia, de acuerdo al tipo de solución; así, en el aire se suelen usar las ppmv y se indican simplemente como ppm.

Gráfico 5.1. Composición del aire
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Al comparar los valores de esta figura con los de la Tabla 5.2, podemos deducir que las ppm a las que alude el gráfico son efectivamente ppmv.

Fuente: elaboración propia.

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La ventaja de trabajar con unidades de concentración que dependan de la masa es que la masa de cualquier muestra es independiente de la temperatura a la que se realice la medición. En cambio, el volumen de una muestra cambia al cambiar la temperatura. En consecuencia, los valores de concentración que usen algún volumen (soluto, solvente y/o solución) deberán estar acompañados de la temperatura a la que se determinó la concentración.

Texto

A veces es necesario pasar de una unidad de concentración que depende del volumen de solución a otra que depende de la masa de la solución. Por ejemplo, si se quiere pasar de la unidad % v/v (o también % p/v) a % p/p o viceversa. Para realizar estas conversiones de unidades se necesita contar con el valor de la densidad de la solución a la temperatura a la que se ha especificado la unidad que depende del volumen. La densidadN de la solución es la relación entre la masa de una porción de esa solución y el volumen que ocupa a una dada temperatura:

\(\delta solución (T)=\frac{\text{masa de una porción de la solución}}{\text{volumen ocupado por esa porción de la solución a temperatura T}}\) (5.4)

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Para reflexionar
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A diferencia de la masa, los volúmenes no son aditivos, es decir, no es posible predecir con exactitud cuánto volumen de solvente habrá que agregar a 10 ml de soluto para dar 100 ml de solución. Un ejemplo para notar esta diferencia se presenta cuando se mezclan 50 ml de etanol con 50 ml de agua a la misma temperatura. El volumen final de la solución es de 95 ml y no de 100 ml como resultaría de sumar los volúmenes (Gráfico 5.2).

Gráfico 5.2. Los volúmenes no son aditivos

En el caso de la mezcla de etanol y agua del ejemplo anterior, el volumen de la mezcla resulta menor que la suma de los dos volúmenes que se han mezclado. Pero también existen mezclas cuyo volumen supera a la suma de los volúmenes de los componentes. La falta de aditividad de los volúmenes se debe a que las interacciones entre las partículas de cada componente puro suelen ser distintas, de distinto tipo y/o intensidad, que las interacciones generadas entre las partículas de los distintos componentes de la mezcla. Estos cambios en las interacciones producen cambios en las distancias entre las partículas y, así, un cambio de volumen. En el único caso en que esta situación no se presenta es cuando mezclamos, a una dada temperatura, dos porciones de la misma sustancia, o dos porciones de soluciones con el mismo soluto, el mismo solvente y a la misma concentración. Sin embargo, en ciertos casos suele asumirse que los volúmenes son aditivos porque se mezclan, por ejemplo, dos soluciones de concentraciones muy parecidas entre sí o cuando a una solución acuosa de muy baja concentración se le agrega agua. En estos casos, la falta de aditividad se sigue cumpliendo, pero el error cometido al suponerla está por debajo de los errores de otras etapas o pasos del procedimiento. La consideración del peso de los errores dentro de un experimento es un aspecto central para analizar y del que dependerá la calidad de los resultados.

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Es importante destacar que la especificación de la concentración de una solución requiere expresar la cantidad de soluto presente en una cierta cantidad de solvente o de solución. La especificación de la concentración de una solución permite conocer cuantitativamente la composición de la solución, dato muy valioso en ámbitos de la salud, del medio ambiente y de la industria alimenticia, por mencionar algunos ejemplos.

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Audiovisual
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En muchos laboratorios, la preparación de soluciones se hace rutinariamente y es una operación que requiere respetar una serie de consideraciones para que el resultado sea aceptable. En el siguiente video se presenta el procedimiento de laboratorio para la preparación de soluciones a partir de solutos sólido o líquido.

<https://www.youtube.com/watch?v=CE2te7LVCQE> [Consulta: 1 de julio 2017].

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Audiovisual

Materiales de laboratorio

 

Mediciones de masa

 

Mediciones de volúmenes

 

Medición de volúmenes con pipetas automáticas

5.1.3. Diluciones

Texto

Las soluciones se pueden preparar a partir de soluto y solvente puros, aunque otro procedimiento de rutina en los laboratorios es la preparación de una solución de una dada concentración a partir de otra más concentrada. En este último procedimiento se agrega solvente a la solución concentrada hasta lograr la concentración deseada. Cotidianamente preparamos diluciones, por ejemplo, al mezclar agua con lavandina, o cuando el café está muy fuerte y le agregamos agua. En el laboratorio se requiere más rigurosidad y se realiza de igual modo que el procedimiento mostrado en el apartado anterior para solutos líquidos. A la solución original se la suele llamar solución concentrada y a la obtenida por agregado de solvente solución diluida (Gráfico 5.3).

Gráfico 5.3. Dilución
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a. Representación esquemática de la preparación de una dilución.

b. La intensidad de color revela cuál es la solución concentrada a partir de la que se preparó la solución diluida. La solución acuosa concentrada es 1 M (molar) en sulfato de cobre (II) (CuSO4) y la diluida 0,1 M (molar).

Texto

Se llama factor de dilución al cociente entre ambas concentraciones expresadas en la misma unidad de concentración. Si se coloca como numerador el valor de la solución más concentrada, entonces el factor de dilución se expresa en veces (X). Tomando como ejemplo las soluciones del Gráfico 5.4.b:

\(f\text{actor de dilución, }f=\frac{\text{concentración de la solución concentrada}}{\text{concentración de la solución diluida}}\) (5.5)

En el ejemplo presentado, la concentración disminuyó de 1M a 0,1M, entonces, el factor de dilución será:

\(f=\frac{1M}{0,1 M}=10\)

y se dice 10x (por diez veces).

Alternativamente, esta dilución de 10 veces se puede expresar como dilución 1:10 (y se lee “uno en diez”).

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Es importante notar que al expresar el factor de dilución no se hace referencia a la cantidad de solución que se debe diluir.

5.2. Solubilidad

Texto

En general, una cantidad dada de solvente puede disolver hasta una cierta cantidad máxima de soluto. El valor de esta cantidad máxima está determinado por la temperatura y presión. Existen algunos casos, sin embargo, en los que soluto y solvente pueden formar soluciones en cualquier proporción. Un ejemplo de este tipo lo constituye el par etanolN-agua. Estas dos sustancias son solubles o miscibles en todas las proporciones.

5.2.1. Soluciones saturadas, sobresaturadas y no saturadas

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Si se agregan 10 gramos de NaCl a 100 gramos de agua a 20 °C, estos 10 gramos de NaCl se disolverán completamente. Sin embargo, si se agregan a esta temperatura 50 gramos de NaCl a 100 gramos de agua, parte del NaCl quedará como un sólido sin disolver en el fondo del recipiente. Por encima del sólido, encontramos una solución de NaCl con la máxima cantidad de soluto que esa cantidad de agua es capaz de disolver a esta temperatura y presión. En esta situación estamos en presencia de un sistema heterogéneo formado por dos fases: la fase sólida y la fase solución. La máxima concentración que puede alcanzar un soluto al ser disuelto en un dado solvente se denomina solubilidad. La solubilidad de una sustancia en un determinado solvente depende de distintos factores que se discutirán más adelante. Un cambio de temperatura, o en ciertos casos en la presión, puede modificar la solubilidad de una sustancia en un determinado solvente. Por este motivo, es importante aclarar la temperatura y la presión a las cuales se estableció la solubilidad del soluto en el solvente en cuestión. Para el caso del NaCl en agua, los ensayos de laboratorio revelan que la solubilidad a 20 °C y presión atmosférica normal a nivel del mar es de 36 gramos de NaCl por cada 100 gramos de agua.

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La solubilidad de solutos sólidos como el NaCl en agua y en otros solventes líquidos no varía mucho con los cambios de presión. Por este motivo, no suele indicarse el valor de presión, aunque se asume que se está bajo condiciones de presión no demasiado alejadas de la presión atmosférica normal a nivel del mar (1 atmósfera).

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La solubilidad de un soluto en un determinado solvente está dada por la concentración de la solución que contiene la máxima cantidad posible de soluto disuelto para la cantidad disponible de solvente, a una cierta temperatura y presión. Para expresar la solubilidad, puede emplearse cualquiera de las unidades de concentración antes mencionadas.

Texto

Cuando mezclamos, a 20 °C y presión atmosférica normal a nivel del mar, 50 gramos de NaCl en 100 gramos de agua, el dato de solubilidad nos indica que solo 36 gramos de NaCl podrán disolverse, mientras que los 14 gramos restantes quedarán sin disolver. Cuando una solución, a una dada temperatura y presión, tiene la concentración correspondiente a su solubilidad, se dice que la solución está saturadaN. La mejor forma de asegurar la preparación de una solución saturada es agregar más soluto que el correspondiente a la solubilidad. La presencia de sólido sin disolver garantiza que la solución con la que está en contacto tiene disuelta la máxima cantidad de soluto posible.

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Pueden darse situaciones en las cuales, debido a las condiciones en que fue preparada la solución, exista una cantidad de soluto disuelta mayor que la que indica el valor de solubilidad. A estas soluciones se las llama sobresaturadas. Estas soluciones son inestables y, finalmente, el exceso de soluto disuelto termina separándose de la solución (como sólido, líquido o gas, de acuerdo con su estado de agregación en las condiciones del ensayo).

Texto

Mientras la temperatura y la presión se mantengan constantes, el sistema formado por la incorporación de 50 gramos de NaCl en 100 gramos de agua mantendrá la misma cantidad de sólido sin disolver. Sin embargo, si analizáramos los iones Na+ y Clpresentes en la fase solución y en el sólido, comprobaríamos que hay un recambio permanente de los iones entre la solución y el sólido no disuelto. Es decir, aunque el sistema se presente a simple vista (nivel macroscópico) sin cambios, a nivel de iones y moléculas hay un recambio de iones entre la solución y el soluto sin disolver. Sin embargo, este recambio respeta el número total de iones disueltos, tanto de Na+ como de Cl. Dicho en otras palabras, simultáneamente están ocurriendo a la misma velocidad tanto la disolución como el pasaje a sólido (cristalización) de las partículas de soluto. De esta manera, las cantidades de soluto en la solución, por un lado, y en el sólido, por otro, se mantienen constantes. Se dice que el sistema está en un estado de equilibrio dinámico, porque macroscópicamente se mantiene invariante en sus propiedades, pero este aparente reposo no es tal, sino que es consecuencia de procesos opuestosN que ocurren a la misma velocidad. Este equilibrio dinámico puede representarse mediante una ecuación química:

 

\(NaCl(s)↔  Na^+ (aq) + Cl^-(aq)\)  (5.6)

 

La flecha de dos puntas representa precisamente la situación de equilibrio, parte del sólido se disuelve mientras que, a la misma velocidad, una cantidad equivalente de iones abandonan la solución y pasan a formar parte del sólido no disuelto. En la Unidad 4 se presentó otro caso de equilibrio dinámico al tratar la presión de vapor.

5.3. El proceso de disolución

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En este apartado trataremos con mayor detalle los factores que gobiernan el proceso de disolución, centrándonos en particular en lo que ocurre en las soluciones acuosas. En general, los factores que afectan el proceso de disolución pueden clasificarse en dos grandes clases: los energéticos y los entrópicos. Ambos se discutirán en el apartado siguiente, y podemos decir por ahora que una sustancia será soluble o no en un determinado solvente de acuerdo al balance entre los factores energéticos y entrópicos. Es importante notar que los factores energéticos dependen de las fuerzas de interacción entre las partículas presentes antes y después de formar la solución. Algunas de estas interacciones se estudiaron en la Unidad 3, cuando se discutieron las interacciones entre moléculas, también llamadas fuerzas intermoleculares. Para la siguiente discusión debemos agregar, además, las interacciones entre moléculas e iones y entre iones. En el caso de moléculas polares tendremos las interacciones ion-dipolo y en el caso de moléculas no polares tendremos las interacciones ion-dipolo inducido. Los iones entre sí interaccionan por atracciones o repulsiones ion-ion, que no son otra cosa que fuerzas entre partículas cargadas, como las que se estudiaron en la Unidad 2, cuando se discutió la fuerza de atracción entre el núcleo de un átomo y sus electrones. La principal diferencia es que, en el caso de los iones, la fuerza es atractiva si sus cargas son de diferente signo y es repulsiva en caso contrario. Para referir al conjunto de todas las fuerzas intermoleculares vistas en la Unidad 3, más las interacciones entre iones y moléculas, se habla de interacciones o fuerzas no covalentes. Por último, otra interacción no covalente muy importante en el estudio de las soluciones acuosas, que no fue mencionada con anterioridad, es el puente de hidrógeno que se describe en el siguiente texto aparte.

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Texto aparte
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Puente de hidrógeno

 

El puente de hidrógeno es un caso particular dentro de las interacciones entre moléculas polares. Su particularidad reside en que solamente puede formarse si una de las moléculas tiene un átomo de nitrógeno, de oxígeno o de flúor con sus pares de electrones libres, mientras que la otra tiene al menos un átomo de hidrógeno covalentemente unido a un nitrógeno, a un oxígeno o a un flúor. Las moléculas que interaccionan por puentes de hidrógeno están más fuertemente unidas entre sí que un par de moléculas de tamaño equivalente que solo pueden interaccionar por fuerzas dipolo-dipolo.

También el ion fluoruro, F-, a costa de sus pares de electrones libres puede formar puente de hidrógeno con moléculas que tengan hidrógeno unido a nitrógeno, oxígeno o flúor.

Gráfico 5.4. Puente de hidrógeno entre dos moléculas de agua

Fuente: Brown, Le May y Bursten (2009).

5.3.1. El proceso de disolución a nivel molecular

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Como se mencionara anteriormente, el proceso de disolución a nivel molecular puede explicarse por el balance entre dos factores: el factor energético y el factor entrópico. A fin de comprender de qué manera estos factores condicionan el proceso de disolución, vamos primero a definirlos y analizarlos por separado, para luego discutir cómo operan en conjunto.

Considerando el factor energético, para que se forme una solución es necesario vencer las fuerzas de atracción entre las partículas que forman el soluto, a fin de separarlas para que se mezclen con las partículas del solvente. También es necesario vencer las fuerzas de atracción entre algunas moléculas del solvente, a fin de generar los huecos en los que estarán ubicadas las partículas de soluto. Para vencer estas interacciones se requiere aportar energía, que generalmente se entrega en forma de calor. Dado que tanto el soluto como el solvente ganan energía, se produce un cambio de energía positivo, o \(\Delta\)E>0 para ambos. En la expresión anterior \(\Delta\) significa “cambio”, matemáticamente es una diferencia, y E significa energía. Para ser más precisos, podríamos decir que la energía requerida para vencer las interacciones entre partículas de soluto, \(\Delta\)Esto-sto, y de solvente, \(\Delta\)Este-ste, son ambas positivas. En estas expresiones “sto” significa soluto y “ste”, solvente.

Por otra parte, cuando se forma la solución se generan atracciones entre partículas de soluto y solvente. Y así como para romper fuerzas atractivas se necesita aportar energía, cuando se forman interacciones atractivas el sistemaN libera energía. El sistema en este caso es la solución. De manera tal que el cambio de energía debido a las interacciones soluto-solvente, \(\Delta\)Esto-ste, es menor a cero. Finalmente, el cambio de energía total del proceso de disolución es la suma de todas estas contribuciones:

\(\Delta\)Edisolución= \(\Delta\)Este-ste + \(\Delta\)Esto-sto + \(\Delta\)Esto-ste(5.7)

Dado que \(\Delta\)Esto-ste tiene signo opuesto a \(\Delta\)Este-ste y \(\Delta\)Esto-sto, el cambio de energía observado en el proceso de disolución, \(\Delta\)Edisolución, puede ser positivo o negativo según cómo sean las contribuciones de los diferentes términos. Si es negativo, durante el proceso de disolución se libera calor (la persona que realiza la disolución nota que el recipiente se calienta). Por el contrario, si \(\Delta\)Edisolución es positivo, el sistema se enfría.

El ejemplo del Gráfico 5.5 muestra que, para romper las interacciones presentes entre las partículas de soluto por un lado y por otro entre las partículas de solvente, hace falta entregar energía al soluto y al solvente. Estas energías están representadas mediante \(\Delta\)Esto-sto0 y \(\Delta\)Este-ste0. Por otro lado, cuando se forman las interacciones entre las partículas del soluto y del solvente se libera energía, es decir \(\Delta\)Esto-ste>0. En este ejemplo, la energía liberada es en valor absoluto menor que la requerida para romper las interacciones (la suma de la energía necesaria para romper las interacciones está representada mediante la flecha de color violeta). Se trata de un ejemplo con disolución con balance positivo de energía.

Gráfico 5.5. Balance de energía al formar una solución a partir de soluto y solvente
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La flecha violeta representa la suma de las energías para romper las interacciones entre las partículas del soluto y, por otro lado, la de las partículas del solvente.

Fuente: elaboración propia.

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Para analizar el factor entrópico se requiere hablar de la entropía de un sistema material. La entropía se anota con S (letra “ese mayúscula”) y es una función un poco más difícil de analizar que la energía. La razón de esta dificultad es que el concepto de entropía solo puede racionalizarse cuando se logra establecer la conexión entre la descripción macroscópica del material y su descripción a nivel microscópico. En la descripción macroscópica es necesario indicar la composición, la temperatura, la presión, etc. En general, con indicar unos pocos parámetros alcanza para establecer el llamado “estado macroscópico”. Sin embargo, a nivel molecular, un dado estado macroscópico se corresponde con un número muy grande de estados microscópicos. Por ejemplo, la energía total del sistema material puede estar distribuida de diferentes maneras entre las partículas que constituyen el material. Y cada una de estas maneras es un estado microscópico diferente. La entropía es una propiedad de un sistema material que indica cuántos estados microscópicos del mismo se corresponden con el estado macroscópico observado. Cuanto mayor es el número de estados microscópicos compatibles, mayor es la entropía.

Para el estudio del proceso de disolución, es necesario considerar la llamada entropía conformacional, que mide el número de maneras en las que pueden acomodarse, en el espacio tridimensional, las partículas que componen el sistema material. Como pasa con el factor energético, también en el caso de la entropía se comparan estos estados de un sistema para determinar cómo varía la entropía (aumenta o disminuye o permanece constante) cuando el sistema pasa de uno de estos estados al otro. En el caso del proceso de disolución, se evaluará el cambio de entropía cuando soluto y solvente inicialmente separados se mezclan para formar la solución.

El cambio de entropía que acompaña a la disolución, \(\Delta\)Sdisolución, puede tomar valores positivos o negativos, de acuerdo a cómo se modifique la estructura del solvente y del soluto. Por ejemplo, se puede tomar el caso de un soluto sólido que se disuelve en agua. En la disolución, las partículas del soluto tienen mayor cantidad de maneras de disponerse que en el sólido. Por lo tanto, el soluto aporta un cambio de entropía positivo al proceso de disolución \(\Delta\)Ssto>0. En cambio, el solvente puede tener un cambio de entropía positivo o negativo. Para el proceso de disolución en su conjunto puede, entonces, tener un \(\Delta\)Sdisolución = \(\Delta\)Ssto+ \(\Delta\)Sste, tanto positivo como negativo.

Finalmente, para saber si la disolución va a ocurrir o no tenemos que considerar un tercer parámetro, que se llama variación de energía libre, \(\Delta\)G. Esta se relaciona con las variaciones de energía y entropía de acuerdo a la siguiente fórmula:

\(\Delta\)Gdisolución = \(\Delta\)Edisolución – T \(\Delta\)Sdisolución   (5.8)

La termodinámica nos enseña que, a una dada temperatura y presión, un proceso ocurre si tiene un \(\Delta\)G negativo y no ocurre si tiene un \(\Delta\)G positivo. Así, el proceso de disolución ocurre espontáneamente si tiene, por ejemplo, un \(\Delta\)Edisolución negativo y un \(\Delta\)Sdisolución positivo. Por el contrario, no ocurre, por ejemplo, si tiene \(\Delta\)Edisolución positivo y un \(\Delta\)Sdisolución negativo. Para las otras posibilidades {\(\Delta\)Edisolución<0, \(\Delta\)Sdisolución<0} y {\(\Delta\)Edisolución>0, \(\Delta\)Sdisolución>0}, el proceso puede ocurrir o no de acuerdo a la magnitud de la contribución energética y entrópica. Además, la temperatura modifica el peso o la importancia de la contribución entrópica, lo que hace que la solubilidad varíe con la temperatura.

Para analizar las contribuciones energéticas y entrópicas, se verá a modo de ejemplo la disolución de un compuesto iónico como el cloruro de sodio en agua. En estado sólido, sus iones están organizados en una red tridimensional con interacciones entre los iones cuyo balance es a favor de las interacciones atractivas. En el agua, sus moléculas interactúan principalmente por puentes de hidrógeno. Además, tanto en el cloruro de sodio como en el agua estarán presentes las interacciones dipolo instantáneo-dipolo inducido. En la solución, los iones Na+ y Cl interaccionarán con las moléculas de agua. Como el agua es una molécula polar o dipolar se dice que la interacción con los iones es ion-dipolo. Además, interaccionan por la interacción dipolo instantáneo-dipolo inducido presente con mayor o menor intensidad entre todas las partículas (átomos, moléculas o iones). Estas interacciones siempre están presentes porque se deben a la existencia de la nube electrónica.

El Gráfico 5.6 muestra cómo se orientan los dipolos de las moléculas de agua, lo que produce interacciones atractivas con los iones Na+ y Cl.

Gráfico 5.6. Representación de la disolución del cloruro de sodio en agua a nivel de iones y moléculas
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Texto

Si la solución contiene muy poco cloruro de sodio, a medida que aumenta la distancia a los iones, las moléculas de agua se orientan en forma cada vez más similar a la que tienen en el agua pura. ¿Cómo interpretar la formación de esta solución y las interacciones mixtas que surgen entre los iones que componen el soluto y las moléculas de solvente? Al formarse la solución, inicialmente las moléculas de agua entrarán en contacto con los iones Na+ y Cl de la superficie de cada trocito de sal introducido. Para que se forme la solución, es decir, la mezcla homogénea, es necesario que muchas moléculas de agua entren en contacto con muchos de los iones Na+ y Cl, no solo los de la superficie. A fin de que este contacto sea posible, deberán romperse interacciones tanto entre los iones como entre las moléculas de agua. Este proceso requiere energía, que suele aportarse mediante agitación, por ejemplo, revolviendo o calentando.

Por otro lado, la formación de interacciones atractivas entre los iones y las moléculas de agua liberará energía. Al formarse la solución, estos dos procesos estarán ocurriendo simultáneamente, aunque puede ser necesario, como dijimos, un aporte inicial de energía. El balance energético de ruptura y formación de interacciones en que hemos dividido el proceso de formación de una solución es uno de los aspectos que define si cierto soluto será soluble en determinado solvente. En el caso del NaCl en agua, el balance de las interacciones que se rompen y que se forman es positivo, pero pequeño. En cuanto a la entropía, tanto el cloruro de sodio como el agua en la solución pueden asumir más orientaciones cuando están mezclados que cada uno en estado puro. Este aumento en el número de orientaciones posibles corresponde a un aumento de entropía, que juega a favor del proceso de disolución y supera al aspecto energético.

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No se pueden generalizar los aspectos energéticos y entrópicos de la disolución del NaCl en agua a otros compuestos iónicos en agua. Una de las cuestiones a considerar es la carga de los iones.

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Alternativamente, el factor energético puede favorecer el proceso de disolución o tener prácticamente ninguna contribución y el entrópico desfavorecerlo. Este caso se da con aquellos solutos que “ordenan al solvente”. Por ejemplo, podemos mencionar algunas sustancias no polares que no se disuelven en agua, como el hexano. En casos como este se produce una reorganización del agua alrededor de las moléculas no polares, adoptando una estructura más rígida con menos orientaciones posibles que en el agua líquida. Esta organización del agua en torno de las moléculas de sustancias no polares se llama clatrato y su formación genera una disminución de la entropía, que es la responsable de la insolubilidad del hexano y de otros hidrocarburos en agua (Gráfico 5.7).

Gráfico 5.7. Clatratos de agua
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Se forman estructuras similares a las del hielo cuando las moléculas de agua rodean a moléculas de un soluto no polar.
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Un aumento de entropía puede entonces compensar un balance energético desfavorable y determinar que aun con este balance energético un soluto sea soluble en un determinado solvente. También puede darse, como vimos para los solutos no polares en agua, que sea la disminución de la entropía el factor determinante de la insolubilidad.

De este modo, para analizar la solubilidad de un determinado soluto en un determinado solvente, siempre habrá que analizar las contribuciones tanto del factor energético como del entrópico. La variación de energía libre, \(\Delta\)G, reúne ambas contribuciones, además de incluir a la temperatura como otra variable a considerar.

5.3.2. Formación de soluciones mediadas por reacciones químicas

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Los procesos de disolución presentados hasta este punto corresponden a transformaciones físicas. Así, tanto el cloruro de sodio como el azúcar de mesa (sacarosa), por mencionar dos ejemplos, conservan su identidad al disolverse en agua. Si se evapora el agua de estas soluciones se recuperarán los solutos originales. Sin embargo, existen ejemplos en los cuales la disolución va acompañada de una reacción química. En este caso, los factores y principios que condicionan y explican el proceso son diferentes de los mencionados en la disolución como transformación física. Veremos algunos ejemplos de este tipo de proceso al analizar la disolución de gases en agua y también en la Unidad 6.

5.3.3. Factores que afectan la solubilidad

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La cantidad de soluto que puede disolverse en una determinada cantidad de solvente depende, como ya se mencionara, del tipo e intensidad de las interacciones no covalentes que soluto y solvente puedan establecer; también del factor entrópico, así como de la temperatura y la presión que regulan los aportes de cada uno de estos factores.

La solubilidad en agua de gran parte de los compuestos iónicos aumenta al aumentar la temperatura de la solución. En el Gráfico 5.8 están representadas las solubilidades de varias sustancias iónicas en agua a distintas temperaturas. La solubilidad de las moléculas polares en agua suele también incrementarse al aumentar la temperatura. Como se mencionara anteriormente, los cambios en la presión no tienen un efecto notorio en la solubilidad de este tipo de solutos en agua y en otros solventes líquidos.

Gráfico 5.8. Solubilidad de solutos iónicos en agua como función de la temperatura a presión de 1 atmósfera
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Fuente: Brown, Le May y Bursten (2009: 497).

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El caso contrario se presenta en los gases, que en su mayoría son menos solubles en agua cuando la temperatura de la solución aumenta. Este efecto se ve, por ejemplo, cuando dejamos agua de la canilla a temperatura ambiente. A medida que el agua se va calentando, van apareciendo burbujas pequeñasN que están formadas por el aire que estaba inicialmente disuelto en el agua. En el Gráfico 5.9 están representadas las solubilidades de varios gases en agua como una función de la temperatura.

Gráfico 5.9. Solubilidad de gases en agua como función de la temperatura
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La presión de los gases por encima de la solución es 1 atmósfera.

Fuente: Brown, Le May y Bursten (2009: 497).

Texto

La solubilidad de los gases en cualquier solvente depende además de la presión. Los gases del aire –principalmente, O2 y N2– no son muy solubles en agua a presiones y temperaturas cotidianas. Sin embargo, la solubilidad de cualquier gas en solventes líquidos o sólidos aumenta al aumentar la presión de dicho gas sobre el solvente (Gráfico 5.10).

Gráfico 5.10. Solubilidad de gases en agua como una función de la presión
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a. A una dada temperatura, al aumentar la presión del gas sobre el agua, más gas se disuelve.

b. Solubilidad de distintos gases en agua en función de la presión del gas sobre el agua, a una dada temperatura.

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La ley matemática que describe la relación directamente proporcional entre solubilidad de los gases en una solución y su presión sobre la solución se denomina Ley de Henry, y puede consultarse en textos de química general universitaria como los mencionados en la bibliografía.

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El cambio en la solubilidad de los gases con la presión tiene importantes consecuencias para las personas que practican buceo. Los buzos respiran aire que tiene una presión mayor que la normal (aire comprimido). El aire contiene nitrógeno, N2, que es muy poco soluble en la sangre a la presión normal. Por ello, cuando estamos al nivel del mar, la cantidad de N2 que se disuelve en la sangre es muy baja. Sin embargo, a grandes profundidades la presión es mucho mayor, y este aumento de presión hace que se disuelva mucho más N2 en la sangre. Si un buzo que está sumergido a grandes profundidades asciende bruscamente, la disminución de la solubilidad del N2 que ocurre durante el ascenso determina la formación de burbujas en la sangre que, aunque pequeñas, pueden romper las paredes de los capilares o bloquearlos, lo que impediría la llegada de oxígeno a los tejidos, generando una embolia. El riesgo de embolia disminuye si en la mezcla de gases contenida en los tubos se reemplaza el N2 por helio. El helio es menos soluble en la sangre que el N2 y, al mismo tiempo, sus átomos son lo suficientemente pequeños como para atravesar las paredes de los capilares sin dañarlas.

Imagen

La descompresión modifica la solubilidad de los gases en la sangre.

Texto

Otro ejemplo del efecto de la presión del gas en su solubilidad es el de las bebidas gaseosas o vinos espumantes. En estas bebidas el dióxido de carbono, CO2, se disuelve en el líquido bajo presión. Al abrir la botella, disminuye la presión del CO2 sobre la solución y este entra en efervescencia, es decir, el gas escapa de la solución. En las gaseosas, el CO2 se introduce a presión durante el proceso de fabricación; en cambio, en el caso de los vinos espumantes, el CO2 se genera como producto de la fermentación durante el proceso de formación del vino, que se lleva a cabo en botellas cerradas, lo que determina su acumulación.

La Tabla 5.3 contiene las solubilidades en agua de algunos gases a diferentes temperaturas. Caber notar que el N2 y el O2 muestran solubilidades muy bajas en agua. Sin embargo, los gases amoníaco, dióxido de azufre y, en menor medida, los dióxidos de carbono son mucho más solubles en agua que el N2 y el O2. La razón más importante de las mayores solubilidades observadas en la tabla, incluyendo también al CO2, es que se produce una reacción química con el agua y, por lo tanto, se generan sustancias que son solubles en agua. Veremos algunas de estas reacciones en los apartados siguientes y en la Unidad 6.

 

Tabla 5.3. Solubilidades a diferentes temperaturas de algunos gases en agua (expresadas en gramos de soluto cada 100 gramos de solvente y a presión de 1 atmósfera)

 

Temperatura

Gas

0 °C

20 °C

50 °C

Nitrógeno, N2

0,0029

0,0019

0,0012

Oxígeno, O2

0,0069

0,0043

0,0027

Dióxido de carbono, CO2

0,335

0,169

0,076

Dióxido de azufre, SO2

22,8

10,6

4,3

Amoníaco, NH3

89,9

51,8

28,4

5.4. Electrolitos y no electrolitos

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Si comparamos, por ejemplo, las soluciones acuosas de NaCl y de azúcar (sacarosa), a simple vista ambas soluciones presentarán el mismo aspecto: serán incoloras y transparentes. No obstante, los dos solutos –el cloruro de sodio y la sacarosa– están presentes de manera distinta en la solución. Esta diferencia es responsable de la buena conductividad eléctrica de la solución de cloruro de sodio y de la mala conductividad eléctrica de la solución de sacarosa, a pesar de que tanto el cloruro de sodio sólido como el agua pura son malos conductores de la electricidad. Cabe recordar que para que haya conducción eléctrica es necesaria la presencia de partículas cargadas con libertad de movimiento (Unidad 3). En la solución de cloruro de sodioN, los iones sodio y los iones cloruro se encuentran separados y rodeados de agua. Así, una solución acuosa de cloruro de sodio contiene iones disueltos, y a las sustancias que en solución acuosa generan iones se las denomina electrolitos. En cambio, la sacarosa no forma iones al disolverse en agua, y a este tipo de sustancias se las denomina no electrolitos. La diferencia radica en que el cloruro de sodio es un compuesto iónico y la sacarosa un compuesto molecular, y que en ambos procesos de disolución la transformación es física (no ocurre cambio químico).

5.4.1. Disociación e ionización de solutos en solución

Texto

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, sus iones se disocian. La disociación es la separación de los iones ya presentes en el compuesto iónico a medida que sus cristales se van disolviendo. Algunas moléculas también tienen la capacidad de generar iones por reacción química cuando se disuelven en agua, produciéndose una ionización. Este proceso no es una disociación debido a que los iones no estaban presentes en las moléculas antes de que fueran disueltas. La ionización es la formación de iones que ocurre junto con la disolución debido a una reacción química entre la sustancia molecular y el solvente agua. Si bien las reacciones químicas serán tratadas especialmente en la siguiente unidad, podemos adelantar algunos de sus aspectos, como es la representación mediante ecuaciones. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno, un compuesto molecular, se ioniza cuando se disuelve en agua. Se puede representar este proceso mediante las estructuras de Lewis de las sustancias involucradas:

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El enlace del HCl se rompe asimétricamente y el protón generado se incorpora a la molécula de agua, dando el ion hidronio, H3O+. La estructura de Lewis del ion hidronio refleja que el H+ se ha unido a una molécula de agua mediante la covalencia de un par de electrones. El cloruro de hidrógeno, HCl, es un gas en condiciones ambientales y es un compuesto molecular. Este gas puede enfriarse y condensarse a líquido, pero prácticamente tampoco en el estado líquido contiene iones. Sin embargo, cuando se disuelve en agua, prácticamente el 100% de sus moléculas reaccionan. A la solución resultante se la denomina ácido clorhídrico.

El amoníaco, como mencionamos anteriormente, también reacciona con el agua. Esta reacción es la responsable de la alta solubilidad que presenta este gas en agua cuando se lo compara con otros gases –como el N2 y el O2– y además genera iones –aunque la extensión de la ionización no es del 100%, como en el caso del cloruro de hidrógeno–. Podemos representar este proceso mediante las estructuras de Lewis de las especies involucradas:

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La mezcla de reacción, en este caso, está representada principalmente por los reactivos. Como los procesos o reacciones de ionización generan iones, estas soluciones son conductoras de la electricidad.

5.4.2. Electrolitos fuertes y débiles

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El cloruro de hidrógeno, en los ejemplos anteriores, al ionizarse prácticamente en un 100% cuando de disuelve en agua, genera una mayor cantidad de iones que la misma cantidad de moles de amoníaco disuelta en agua. Aquellas sustancias que en solución acuosa presentan prácticamente el 100% de sus unidades disociadas o ionizadas se denominan electrolitos fuertes. El ácido clorhídrico es un electrolito fuerte. En cambio, el amoníaco es un electrolito débil, dado que solo un porcentajeN de sus moléculas se ionizan por reacción con el agua.

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Puede afirmarse que:

  • Electrolito fuerte es toda sustancia que está fuertemente disociada o ionizada en solución acuosa. Todos los compuestos iónicos son electrolitos fuertes, aunque el grado de disociación depende de la concentración de la solución. Algunas sustancias moleculares también lo son.
  • Electrolito débil es toda sustancia que está débilmente ionizada en agua. Por lo general, los electrolitos débiles son compuestos moleculares que generan iones por ionización y no por disociación. Son ejemplos de electrolitos débiles el amoníaco, el ácido acético y muchos otros ácidos orgánicos.
  • No electrolito es toda sustancia que no se disocia ni se ioniza en agua. Los azúcares son no electrolitos, y la urea es otro ejemplo.

No hay que confundir solubilidad de una sustancia con su comportamiento como electrolito o no electrolito. El amoníaco, por ejemplo, tiene una solubilidad considerable en agua y, sin embargo, no todas sus moléculas están ionizadas.

5.5. Propiedades coligativas

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El agregado de un soluto a un solvente modifica ciertas propiedades del solvente. Se ha observado que, para soluciones diluidas, las leyes que describen estos cambios son comunes a todos los solutos y solventes. En particular, la magnitud del cambio observado depende de la concentración del soluto disuelto y no de su identidad. Al conjunto de estos cambios que no dependen de la identidad del soluto sino de su concentración se los denomina propiedades coligativas (del latín colligare, unirse). Las propiedades coligativas descansan en el mismo fundamento: “Los solutos simplemente diluyen al solvente” (Andrews, 1976).

Más precisamente, es correcto decir que la presencia de soluto hace que el solvente sea menos propenso a cambiar de fase, a dejar la solución. Las cuatro propiedades coligativas son:

  1. El descenso de la presión de vapor del solvente en solución respecto del solvente puro.
  2. El aumento del punto de ebullición del solvente en solución respecto del solvente puro (aumento ebulloscópico).
  3. El descenso del punto de congelación del solvente en solución respecto del solvente puro (descenso crioscópico).
  4. La presión osmótica.
Texto

Antes de avanzar con este tema, es oportuno indicar que una sustancia se dice volátil si tiene una elevada presión de vapor y no volátil si su presión de vapor es baja. Necesitamos estas definiciones porque las descripciones se centrarán en esta unidad en sistemas formados por solvente volátil y soluto no volátil.

A
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Para profundizar este análisis y extenderlo a soluto y solvente volátiles, puede consultarse: Atkins, Peter y  De Paula, Julio (2008), Química-Física, 8va ed., Editorial Médica Panamericana, Buenos Aires.

Texto

Por motivos de simplicidad, se considerarán soluciones con un solo soluto y un solo solvente aunque el análisis puede extenderse a mezclas con más de un soluto. Todas estas propiedades son importantes en distintos procesos, tanto a escala de laboratorio como industrial, por la repercusión que tienen, por ejemplo, en los procesos de purificación de sustancias o de separación de los componentes de una mezcla.

5.5.2. Ley de Raoult

Texto

François Marie RaoultN estudió distintos problemas de la fisicoquímica, pero sin duda su nombre está asociado a su trabajo con las propiedades de las soluciones.

Texto

Su trabajo con soluciones radicó en determinar que la presión de vapor del solvente en solución es menor que la del solvente puro a la misma temperatura. También investigó el cambio de la temperatura de congelación del solvente en una solución respecto de la temperatura de congelación del solvente puro.

Raoult formuló la ley matemática, ahora conocida como Ley de Raoult, que permite calcular el descenso de la presión de vapor del solvente en una solución respecto del solvente puro:

 

\(P_{solvente}=X_{solvente} \times P_{solvente}^o\)(5.9)

 

Donde:

Psolvente es la presión de vapor del solvente en la solución.

Xsolvente es la fracción molar del solvente en la solución.

Posolvente es la presión del solvente puro.

 

En el Gráfico 5.11 se muestra la representación de esta ley.

Gráfico 5.11. Ley de Raoult
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La presión de vapor del solvente en la solución es directamente proporcional a su fracción molar.

Texto

Es conveniente notar que, como la fracción molar de soluto siempre es un número menor a 1,0, la presión de vapor del solvente en solución siempre es menor a la del solvente puro. A nivel microscópico, la Ley de Raoult puede explicarse recordando que, como se vio en la Unidad 4, las moléculas de líquido que pasan a la fase vapor son las que están en la interfase líquido-gas. En una solución, algunas moléculas del soluto se ubican en la interfase, lo que disminuye la fracción de moléculas de solvente presentes en ella (Gráfico 5.12). Esto reduce la probabilidad de que las moléculas del solvente pasen a la fase vapor, y por este motivo su presión de vapor también disminuye.

Gráfico 5.12. Descenso de la presión de vapor
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En presencia del soluto (esferas amarillas), hay menos moléculas del solvente en la superficie (en nuestros ejemplos casi siempre el solvente es agua).

Texto

En el Gráfico 5.12, supongamos que el solvente es agua y el soluto una sustancia no volátil. Entonces pasarán al vapor las moléculas de agua y no las del soluto. La situación es diferente cuando tanto el solvente como el soluto son volátiles. En ese caso, en el vapor encontraríamos partículas de ambos componentes de la mezcla, cada uno ejerciendo su presión parcial, y se trataría de una solución con solvente-soluto volátiles.

5.5.3. Aumento ebulloscópico, descenso crioscópico y presión osmótica

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El fundamento de estas propiedades es también que el soluto diluye al solvente y baja así la tendencia del solvente a escapar de la solución. Como se mencionó en la Unidad 3, una sustancia entra en ebullición cuando su presión de vapor iguala la presión externa. Sin embargo, como lo muestra la Ley de Raoult, la presión de vapor de solvente sobre la solución es inferior a la del solvente puro. Por lo tanto, para igualar la presión externa, será necesario aumentar aún más la temperatura, lo que implica un incremento de su temperatura de ebullición.

Tanto el aumento ebulloscópico como el descenso crioscópico pueden describirse cuantitativamente, en el caso de soluciones con soluto no volátil, mediante las siguientes ecuaciones:

 

Aumento ebulloscópico:

\(\Delta Te = Ke \times m\)(5.10)


Donde \(\Delta Te = T_{e \text{ solvente en la solución}} - T^0 _{e \text{ solvente puro}}\)

\(T_e\): temperatura de ebullición.

\(Ke\): constante ebulloscópica (depende del solvente).

\(m\): molalidad de la solución.

 

Descenso crioscópico:

\(\Delta T_f = K _f \times m\)(5.11)

Donde \(\Delta T_f = T_f^o-T_f\)

\(T_f^o\): temperatura de fusión del solvente puro.

\(T_f\): temperatura de fusión del solvente en la solución.

\(m\): molalidad de la solución.

 

Es interesante aclarar que en las ecuaciones (5.8) y (5.9) la molalidad de la solución es la molalidad efectiva de partículas. Así, si la solución tiene como soluto a un electrolito fuerte, el número de partículas efectivas en la solución es el número de iones presentes. Por ejemplo, 1 mol de NaCl en agua generará 2 moles de partículas (1 mol de Na+ y 1 mol de Cl) porque es un electrolito fuerte. Esta cantidad de cloruro de sodio tendrá el mismo efecto en las temperaturas de ebullición y de congelación del agua que cualquier otro soluto que aporte 2 moles de partículas, por ejemplo 2 moles de sacarosa (un no electrolito) o 1 mol de KF, un electrolito fuerte, por plantear dos ejemplos.

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Para reflexionar
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¿Con qué objetivo se echa sal en la nieve?

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Trabajadores esparcen sal en la ciudad de Milwaukee, Wisconsin, después de una nevada abundante.
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Para poder discutir la presión osmótica, necesitamos considerar lo que ocurre cuando una solución se pone en contacto con otra solución más diluida o con el solvente puro a través de una membrana semipermeable. Esta situación es esquematizada en el Gráfico 5.13. Allí se ve que la fracción de moléculas de solvente del lado de la solución concentrada, situada a la derecha de la membrana, es menor que la fracción del lado de la solución diluida. Por este motivo es más probable que las moléculas del solvente pasen de izquierda a derecha que de derecha a izquierda. Este proceso lleva a que la solución concentrada vaya diluyéndose, mientras que la solución diluida se va concentrando.

El pasaje de solvente desde una fase pura, o desde una solución diluida, hacia una solución concentrada puede evitarse si se ejerce una presión extra del lado del solvente puro (o de la solución diluida). Se define como presión osmótica de una solución a la presión extra que hay que ejercer sobre la solución para evitar el pasaje de solvente puro hacia ella.

En el Gráfico 5.13 se presenta la situación en que una solución acuosa tiene un soluto no volátil.

Gráfico 5.13. Presión osmótica
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Referencias: pv, presión de vapor; ph, presión hidrostática.

  1. La presión de vapor del solvente en el recipiente con solvente puro será mayor que la del solvente en el recipiente con solución. Así, el solvente se evaporará del recipiente donde está puro y condensará en el que contiene la solución.
  2. Ídem anterior, pero uno de los recipientes contiene una solución más diluida que el otro.
  3. Entre ambas soluciones se interpone una membrana semipermeable; h es la altura de la columna de solución y la presión osmótica es la presión que hay que ejercer para evitar este desplazamiento de la columna de líquido.
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Cuantitativamente, la presión osmótica, \(\pi\), puede calcularse mediante la siguiente expresión:

\(\pi = R \times T \times c\) 

 

Donde:

\(R\): es la constante general de los gases.

\(T\): temperatura.

\(c\): concentración molar efectiva en partículas de la solución.

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El siguiente enlace incluye material sobre la ósmosis y su relación con las células.

<https://es.khanacademy.org/science/biology/membranes-and-transport/diffusion-and-osmosis/a/osmosis> [Consulta: 5 de septiembre 2017].

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Leer con atención
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El aumento del punto de ebullición del solvente en la solución respecto del solvente puro parece un concepto nuevo, pero lo aplicamos a diario, cuando salamos el agua donde vamos a cocinar fideos, por ejemplo. ¿Cómo se podría comprobar si en el agua salada el agua hierve en nuestra cocina a temperaturas mayores que 100 °C?

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La temperatura de ebullición del agua aumenta en el agua salada.

Actividades

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  1. Se prepara una solución acuosa de glucosa, disolviendo 13,5 gramos de glucosa, C6H12O6, en 100 gramos de agua. Calcule la concentración de esta solución expresándola en % p/p y en molalidad (m).
  2.  

  3. Un jarabe antialérgico tiene como principio activo a la difenilhidramina. Se lo comercializa con una concentración de 2,5 g/l (2,5 gramos de fenilhidramina por litro de jarabe). Para un adulto se recomienda no superar los 100 mg de fenilhidramina por día. Si el jarabe debe tomarse cada 8 horas, ¿qué volumen de jarabe hay que administrar al paciente por toma?
  4.  

  5. Considerando el Gráfico 5.8, indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, y transforme las sentencias falsas para que resulten verdaderas:
    1. A 40 °C el cloruro de potasio, KCl, es más soluble en agua que el cloruro de sodio, NaCl.
    2. Una solución acuosa de NaCl que, a 40 °C, contiene 20 gramos de sal en 100 gramos de agua es una solución saturada.
    3. A 70 °C se prepara una solución acuosa de clorato de potasio, KClO3, que contiene 20 gramos de soluto en 100 gramos de solución. Si se enfría a 20 °C el sistema tendrá una sola fase.
    4. A 20 °C se disuelven 10 gramos de NaCl en 100 gramos de agua. A esta solución se le agregan 30 gramos más de NaCl y se aumenta la temperatura de la solución a 90 °C. A esta temperatura la solución está saturada.
  6.  

  7. Una pizca de un cierto compuesto iónico se disuelve en agua. Suponiendo que el catión que lo forma tiene fórmula A+2 y el anión B-2, represente los iones en la solución.
  8.  

  9. Cuando se disuelve hidróxido de sodio sólido, NaOH, en agua, la solución resultante es un excelente conductor de la electricidad. Cuando se disuelve metanol en agua, la solución no conduce la electricidad. ¿Qué sugiere este comportamiento en cuanto a los tipos de enlace presentes en el hidróxido de sodio y en el metanol?
  10.  

  11. Los líquidos anticongelantes y los refrigerantes que se usan, por ejemplo, en los motores pueden ser el mismo producto. ¿Por qué?
  12.  

  13. Se tiene un vaso de jugo (350 ml) que contiene 39 gramos de sacarosa.
    1. Se trasvasan 100 ml a otro recipiente, ¿qué concentración de sacarosa tendrán estos 100 ml de jugo?
    2. A los 100 ml anteriores se les agrega agua hasta completar un volumen de 200 ml, ¿cuál será la concentración de sacarosa?
  14.  

  15. En las siguientes figuras están representadas tres soluciones formadas por los mismos componentes. Los circulitos blancos corresponden al soluto y el fondo de color al solvente.
    1. ¿Cuál de ellas es la más concentrada?
    2. ¿Cómo podría prepararse la más diluida a partir de las otras?
    3. ¿Cuál es el factor de dilución entre la más concentrada y la más diluida?
    Imagen

  16.  

  17. Para higienizar una herida se coloca el contenido de un frasco de un antiséptico en un recipiente y se agrega agua. ¿Cuál o cuáles de las siguientes opciones son correctas?
    1. El volumen de solución aumenta
    2. La masa del soluto disminuye
    3. La masa del solvente aumenta.
    4. La concentración final del antiséptico es menor que en el frasco original.
  18.  

  19. A continuación, se muestran una serie de soluciones acuosas del mismo soluto no volátil, pero de distinta concentración. Dada la coloración que tienen, no es sencillo determinar a simple vista cuál es la más concentrada. ¿Cómo podría determinar cuál es la más concentrada utilizando alguna propiedad coligativa?