PREPARACIÓN DE DISOLUCIONES Los fluidos corporales de todas las formas de vida son disoluciones, mezclas homogéneas de moléculas e iones transportados en un medio acuoso. El agua es el disolvente, y las moléculas e iones transportados son los solutos de la misma. Las variaciones de la concentración, en sangre y orina, aportan a los médicos valiosos datos acerca de nuestra salud. No sólo existen disoluciones acuosas; las disoluciones admiten diversas combinaciones dónde el sólido, el líquido o el gas pueden actuar de disolvente o de soluto: EL AIRE: es una disolución gaseosa. EL CAVA: es una disolución de gas en líquido. El medio acuoso se encuentra presente en gran proporción en los seres vivos y en el ambiente en el que vivimos, por lo que el estudio y el conocimiento de las disoluciones es muy importante para comprender la mayor parte de los procesos biológicos. Si añadimos un terrón de azúcar a una determinada cantidad de agua, al cabo de un tiempo, toda el agua ha adquirido un sabor dulce y resulta imposible distinguirla del azúcar. Habremos preparado una disolución. DISOLUCIÓN: es una mezcla homogénea de sustancias puras donde las partículas disueltas son iones, moléculas aisladas o agrupaciones muy pequeñas de estos componentes, por lo que no sedimentan. Las disoluciones CONSTAN DE: DISOLVENTE: es el medio en el que los solutos se disuelven. Es lo que disuelve. “componente que se encuentra en mayor cantidad”. SOLUTO: es lo que se disuelve. “son iones o moléculas que se encuentran en menor proporción que el disolvente”. TIPOS DE DISOLUCIONES: se pueden clasificar de dos modos: Según el número de componentes que la forman en: binarias, ternarias, cuaternarias, etc. Según el estado físico son: gaseosas, líquidas o sólidas.
SOLUTO Gas Gas Líquido Sólido Gas Líquido Sólido
DISOLVENTE Gas Líquido Líquido Líquido Sólido Sólido Sólido
ESTADO Gaseoso Líquido Líquido Líquido Sólido Sólido Sólido
EJEMPLO Aire Agua carbonatada Gasolina Agua con azúcar Hidrógeno en Paladio Amalgamas Aleaciones
Para que una disolución quede completamente definida, debemos conocer la naturaleza de sus componentes y las cantidades relativas en las que se hallan. CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN: La cantidad de soluto que está disuelto en una determinada cantidad de disolución o en una determinada cantidad de disolvente. DISOLUCIÓN SATURADA: Cuando una disolución contiene a una cierta temperatura, la máxima cantidad posible de soluto en una determinada cantidad de disolvente. DISOLUCIÓN CONCENTRADA: La cantidad de ese soluto en esa misma cantidad de disolvente está próxima a la saturación. DISOLUCIÓN DILUIDA: Si la cantidad de soluto es muy pequeña con respecto a la de soluto en la disolución saturada. Las formas más comunes de expresar la concentración de una disolución son: UNIDADES FÍSICAS: cuando no se considera la composición de la sustancia disuelta: Porcentaje en masa. Porcentaje en volumen. Masa de soluto por volumen de disolución. UNIDADES QUÍMICAS: cuando se tiene en cuenta la composición de la sustancia disuelta: Molaridad. Molalidad. Fracción molar.
DISOLUCIONES
PORCENTAJE EN MASA: representa la masa de soluto (en gramos) que existe en 100g de disolución:
Masa (g) de soluto Masa (g) de disolución
X
100
PORCENTAJE EN VOLUMEN: es el volumen de soluto existente en 100 unidades de volumen de disolución.
Porcentaje (%) en masa =
Porcentaje (%) en volumen =
Volumen (L) de soluto Volumen (L) de disolución
X
100
MASA DE SOLUTO POR VOLUMEN DE DISOLUCIÓN: es la masa de soluto (en gramos) existente en 1L de disolución.
g/L =
Masa (g) de soluto Volumen (L) de disolución
DISOLUCIONES
MOLARIDAD (M): También se puede denominar, concentración molar. Es la forma más usual de expresar la concentración de una disolución. “ Indica la cantidad, en mol, de soluto existente en 1L de disolución”. Se expresa en mol/L.
M=
Cantidad (moles) de soluto Volumen (L) de disolución
=
ns V
MOLALIDAD (m): Expresa la cantidad de soluto, en moles, que hay por cada kilogramo de disolvente. Se expresa en mol/kg.
m=
Cantidad (moles) de soluto Masa (Kg) de disolvente
=
ns Masa (Kg) de disolvente
DISOLUCIONES
FRACCIÓN MOLAR: Las fracciones molares, X1, X2 …, de cada componente de una disolución indican la cantidad de cada uno de ellos, en moles, en relación con la cantidad total (la suma total de los moles de todos los componentes), en moles. Para una disolución de dos componentes, soluto y disolvente, podemos definir la fracción molar de soluto y la de disolvente como:
Xs =
Xd =
Moles de soluto Moles de soluto + moles de disolvente Moles de disolvente Moles de soluto + moles de disolvente
Se comprueba que en una disolución:
=
=
ns ns + nd nd ns + nd
Xs + Xd = 1
PROCESO DE LA DISOLUCIÓN: Cuando se disuelve sal en agua, toda la mezcla adquiere el mismo sabor. Esto nos hace pensar que las moléculas de soluto se comportan de forma parecida a como lo hacen las de un gas encerrado en un recipiente: se distribuyen por igual en todo el volumen de agua. De este modo, la teoría cinética puede servir para explicar el proceso de disolución de un soluto en un disolvente. Al mezclar un disolvente con un soluto sólido, se establecen las siguientes interacciones: soluto-soluto, disolvente-disolvente y disolvente-soluto. El proceso de disolución se ve favorecido cuando las dos primeras interacciones (soluto-soluto y disolvente-disolvente) son relativamente pequeñas, y relativamente grande la tercera interacción (soluto-disolvente). Sólo las partículas de soluto abandonarán las posiciones más o menos fijas que ocupan en sus estructuras y se incorporarán a la disolución. El proceso se denomina SOLVATACIÓN O HIDRATACIÓN (si el disolvente es el agua). Esta competencia entre las interacciones la podemos interpretar desde un punto de vista energético. Para vencer las atracciones soluto-soluto entre los iones (NaCl) y disolvente-disolvente entre las moléculas de disolvente (H2O), es necesario consumir energía. Esa energía se toma de la que se desprende al interaccionar las moléculas de disolvente con las moléculas e iones de soluto. Si el soluto es un sólido, sus partículas, aunque hidratadas, seguirán ejerciendo entre sí una cierta atracción reticular que intentará que se vuelva a formar la estructura cristalina original. Para una cierta concentración, cuyo valor dependerá del tipo de
soluto, del disolvente y de la temperatura, se establece un equilibrio dinámico en el que la tendencia de soluto a disolverse es igual a la tendencia del soluto disuelto a cristalizar de nuevo. Decimos entonces que la disolución está saturada. En una disolución saturada se da el siguiente equilibrio: Cristalización
Soluto disuelto
Soluto sólido Disolución
Si el soluto es un líquido o un gas, se establecen las mismas interacciones que en el caso de los solutos sólidos, pero ahora las del tipo soluto-soluto son de menor intensidad, y tanto la hidratación como el proceso de disolución general son casi siempre exotérmicos y se ven muy favorecidos.
SOLUBILIDAD SOLUBILIDAD: La solubilidad de una sustancia, en un determinado disolvente y a una determinada temperatura, es la concentración de soluto en su disolución saturada. “Es la máxima cantidad de soluto que, a una determinada temperatura, puede disolverse en una cantidad fija de disolvente”. Se suele expresar en g de soluto / 100g de disolvente o en g de soluto / 1L de disolvente. SUSTANCIAS INSOLUBLES: Aquellas sustancias que en un determinado disolvente no se disuelven o se disuelven muy poco (aceite y agua). VARIACIÓN DE LA SOLUBILIDAD CON LA TEMPERATURA: La mayoría de los sólidos se disuelven por procesos endotérmicos (procesos en los que se absorbe energía), por lo que en general, son más solubles en caliente que en frío, ya que se dispone de más energía para el proceso de disolución. Muchos líquidos y gases, al disolverse mediante procesos exotérmicos (procesos en los que se desprende energía), experimentan una disminución de su solubilidad cuando aumenta la temperatura. Es el caso del oxígeno en el agua, que disminuye su solubilidad imprescindible para la vida por el vertido de residuos industriales calientes en ríos y lagos. Solubilidad del oxígeno en agua a la presión de 760mmHg: Temperatura
Solubilidad
0 ºC
0,007g/100g dsoluc
20 ºC
0,004g/100g dsoluc
40 ºC
0,0003g/100g dsoluc
EL CO2 Y EL 02 SON GASES NO POLARES, PERO SE DISUELVEN LIGERAMENTE EN AGUA. A 25 ºc y a 1 atm de presión, 1,5 g de CO2 se disuelven en 1L de agua, y 0,004g de O2 se disuelven en la misma cantidad de agua. Poco, pero suficiente para posibilitar la vida acuática. La representación gráfica de la solubilidad de las sustancias en función de la temperatura, a presión normal, se denomina CURVA DE SOLUBILIDAD:
SOLUBILIDAD
VARIACIÓN DE LA SOLUBILIDAD CON LA PRESIÓN:
LA PRESIÓN SÓLO INFLUYE EN LA SOLUBILIDAD DE LOS GASES Y LOS LÍQUIDOS. La solubilidad de un gas en un líquido aumenta cuando se incrementa la presión del mismo modo sobre el líquido. Al abrir una lata de refresco carbonatado, gran parte del dióxido de carbono (co2) disuelto en el líquido sale a exterior, fenómeno que puedes identificar por ese inconfundible sonido: ¡pfff!. Sucede porque el CO2 se introduce en la lata a mayor presión que la de la atmósfera y, al abrir el bote, dicha presión se reduce hasta igualarse con la atmosférica; al disminuir la presión, también lo hace la solubilidad del CO2 y la bebida “pierde gas”. LEY DE HENRY: la relación existente entre la presión que un gas ejerce sobre el líquido y su solubilidad en él.
Concentración del gas disuelto (M)
C ga s = K Pga s
Presión que el gas ejerce sobre el líquido
Constante de proporcionalidad que depende del gas y de la Tª
MAL DE ALTURA: se debe a la disminución de O2 en la sangre como consecuencia de la reducción de la presión parcial de este gas en la atmósfera a
medida que se asciende. Este trastorno se caracteriza por una sensación de fatiga, náuseas, vómitos y dificultad respiratoria. Lo padecen más los montañeros que los pilotos de aviones, pues aquellos consumen más O2 por el esfuerzo muscular que realizan, mientras la cabina de los pilotos está presurizada. “EL ÉXTASIS DE LA PROFUNDIDAD”: cuando respiramos, la presión en el interior de los pulmones es muy semejante a la atmosférica. Un buzo puede respirar con normalidad si el aire que se le suministra está a la misma presión que la del agua que le rodea a esa profundidad. Cada 10 m de profundidad la presión aumenta en 1 atm. Las modernas bombonas de gas regulan la presión de modo que ésta siempre sea igual a la del agua circulante. Sin embargo, a ciertas profundidades (40m), la mayor presión hace que el nitrógeno se disuelva en mayor cantidad en la sangre y tejidos, llegando a alcanzar proporciones tóxicas que originan el llamado “éxtasis de la profundidad”, de sintomatología parecida a la de las intoxicaciones alcohólicas.
FACTORES QUE FAVORECEN LA DISOLUCIÓN DE LAS SUSTANCIAS: Para preparar una disolución rápidamente: Pulverizar el soluto sólido. Agitar. Calentar la disolución. La teoría cinética nos explica por qué: La pulverizar el soluto, se aumenta el área superficial de este, esto hace que incremente el número de iones o moléculas de disolvente que están en contacto y colisionan con él, de manera que se disolverá antes. Al agitar la disolución, impedimos que ésta se sature alrededor de los cristales de soluto, con lo que se facilita el proceso de disolución. Al calentar la disolución, incrementamos la agitación molecular y con ello favorecemos la destrucción de la estructura cristalina del soluto; asimismo, elevamos la velocidad de difusión de los iones en el seno del disolvente. Esto hace que el proceso de disolución sea más rápido. DISOLUCIÓN SOBRESATURADA: Cuando se satura una disolución y después disminuye la temperatura, o cuando se evapora parte del disolvente, la cantidad de soluto existente en esa disolución se sitúa por encima de la cantidad máxima admitida en las nuevas condiciones. Son disoluciones muy inestables, basta con agitarlas o introducir algún cristal de la sustancia que hace de soluto para que el exceso del mismo se separe bruscamente en forma sólida y provoque así una precipitación. Entonces, la disolución se convierte en saturada con un sólido en el fondo del recipiente.