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Soluciones

Contenido del artículo
Solvente y soluto
La naturaleza de las soluciones
La energía en las soluciones
La formación de una solución
La regla  "iguales disuelven iguales"
La entropía



Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias, ¿pero que significa homogénea? veamos.

Si usted toma sal común y azúcar, los pone juntos en un recipiente y luego los sacude hasta la saciedad sin duda que ha hecho una mezcla. Del mismo modo si toma la sal, la agrega a un poco de agua y luego agita, los granos de sal desaparecen y de nuevo se obtiene una mezcla, sin embargo hay una diferencia decisiva entre ambas. En el primer caso la mezcla, aunque a simple inspección se puede considerar homogénea no lo es, con suficiente cuidado usted puede identificar los granos de azúcar y de sal de forma independiente en la mezcla, cada uno "anda por su lado". Para el segundo caso de la sal (o también pudo ser el azúcar) en agua, una vez mezclados, por mucho que se afane no podrá detectar diferencias en la composición del líquido formado, esta si es una mezcla homogénea desde el punto de vista químico. Si vamos mas adentro en la masa líquida de la segunda mezcla, aunque tome una muestra mínima, siempre se tendrá la misma cantidad de sal y de agua en proporción, es decir siempre tendrá la misma concentración en todas partes.

La definición de lo que significa homogénea desde el punto de vista químico nos permite ahora establecer con mas precisión el concepto de solución.

Una solución (también llamada solución verdadera) es una mezcla de dos o más sustancias en la cual existe la misma concentración de cada una de ellas en toda la masa de la mezcla sin importar el tamaño de la muestra.

Esta definición excluye la mezcla de azúcar y sal común como disolución, ya que para tamaños muy pequeños de muestra podemos llegar a tomar solo un grano independiente de cada una de las sustancias aunque se hayan triturado a polvo muy fino.

Solvente y soluto

En una solución la sustancia presente en mayor cantidad se llama en química solvente (también podrá encontrar el nombre de disolvente) y las otras sustancia en la solución de denominan solutos de manera que en el ejemplo del agua y la sal, la primera es el solvente y la segunda es el soluto. En ciertos casos, como en la mezcla de gases o líquidos que sean soluciones verdaderas no es posible definir cual es el soluto y cual el solvente ya que estos pueden mezclar en iguales proporciones y por tanto no hay una sustancia mayoritaria en la solución, pero este es un caso muy particular.

La naturaleza de las soluciones

Las soluciones no solo se pueden hacer entre sólidos y líquidos como los ejemplos de arriba, también dos o más líquidos se pueden mezclar para formar verdaderas soluciones, por ejemplo el agua y el alcohol, cuya solución la puede encontrar en el hogar como antiséptico. Otro modo de existencia de soluciones son las soluciones sólidas, un ejemplo de las cuales está presente en el anillo que porta en su dedo o la cadena que puede llevar al cuello como una solución formada entre plata y oro, o entre plata, oro y cobre, las que usualmente se les llama aleaciones. Salta a la vista que estas aleaciones no se pueden hacer con los metales en estado sólido y originalmente fueron soluciones líquidas que luego solidificaron.

El aire que respiramos es una solución formada por gases, principalmente nitrógeno (N2) en un 78%; oxígeno (O2) en un 21% y otros gases en proporciones mucho menores. Para la solución aire podemos decir que el solvente es el nitrógeno y el principal soluto es el oxígeno.

Volvamos al caso de la mezcla de sal y azúcar, ya vimos que esta mezcla nunca será una solución aunque la deje en reposo por años, sin embargo si agrega la suficiente cantidad de agua a la mezcla, se produce una solución, los dos solutos forman una solución verdadera en el solvente agua. Note que cuando existe algún sólido como soluto siempre ha sido necesario que el solvente sea líquido, la explicación de este hecho radica en la forma estructural de las moléculas en los líquidos; estas son móviles dentro de la masa y por tanto pueden "alojar" intersticialmente las moléculas del sólido en su interior, en los sólidos las moléculas están rígidamente unidas unas con otras y no permiten la introducción de las moléculas "intrusas" en su masa (vea el artículo Fases de la materia para una mejor ilustración).

La energía en las soluciones

Para ilustrar como se comporta la energía en las soluciones utilizaremos dos sustancias comunes que se disuelven mutuamente muy bien, el agua (H2O) y el cloruro de sodio o sal común (NaCl).

Primero el agua

El agua es una sustancia particularmente especial como solvente y usted habrá podido notar que disuelve muchas otras sustancias cada vez que la usa para preparar un comida en la estufa de la casa. De hecho, nuestro propio cuerpo está formado por el 80% de agua de modo que resulta claro que la mayoría de los procesos metabólicos se hacen usando el agua como solvente. Esta capacidad de disolver muchas sustancia le ha valido el nombre de disolvente universal.

figura 1
Figura 1. Polarización de la molécula del agua.
figura 2
Figura 2. Puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua.
figura 3

Figura 3. Estructura cristalina del cloruro de sodio.

Entonces salta una pregunta ¿porqué el agua tiene una capacidad excepcional como solvente? para responder entremos en las interioridades del agua. (la comprensión se facilita mucho si lee el artículo La molécula).

La molécula de agua es polar, lo que significa que en ella hay zonas con carga negativa (δ-) y zonas con carga positiva (δ+) como se muestra en la figura 1 a la derecha. La presencia de zonas con cargas de diferente signo en la molécula es lo que le da la polarización, y tiene el efecto de que por ello se produce una fuerte atracción intermolecular conocida como fuerza dipolo-dipolo. También en la molécula de agua la gran diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el hidrógeno produce el efecto de dejar casi "desnudos" los núcleos de los átomos de hidrógeno cuando el átomo de oxígeno se "apropia" de los electrones de valencia dada su elevada electronegatividad. De esta forma el protón del núcleo del hidrógeno queda casi "al descubierto" produciéndose una atracción adicional entre él y los cuatro electrones pareados del átomo de oxígeno de una molécula de agua vecina que no participan en el enlace. Esta atracción adicional se conoce como puente de hidrógeno y está representado en la figura 2 como lineas de puntos. Ambas fuerzas de atracción, las fuerzas dipolo-dipolo y los puentes de hidrógeno le confieren una gran integridad al agua. 

Ahora el cloruro de sodio

Esta sustancia sólida está formada por una red tridimensional de iones Na+ y Cl- relativamente estacionarios colocados en un patrón repetitivo llamado estructura cristalina, cuyo orden se muestra en la figura 3 abajo. Las posiciones relativas entre los átomos de cloro y sodio en el cristal se mantienen fijas por fuertes enlaces iónicos.

La fortaleza de los enlace iónicos es la que explica el alto punto de fusión del NaCl (801°C), ya que para ello hay que suministrar mucha energía (calor) para romperlos a fin de facilitar la movilidad de los iones y producir el cambio de fase

Finalmente los ponemos juntos

Cuando se ponen juntos el soluto y los solventes al conjunto normalmente se le llama sistema.

Acabamos de ver que para romper los enlace iónicos del cristal de NaCl hay que suministrar mucha energía, entonces hay algo extraño, ¿como es que el agua, a temperatura normal puede romper esos enlaces para poder "mezclar" de manera homogénea los iones Na+ y Cl- con sus propias moléculas y formar la solución?

Para saber la razón de tal hecho sorprendente debemos escudriñar en el proceso de disolución.

La formación de una solución

Durante la formación de una solución se pueden identificar tres procesos que transcurren simultáneamente y que para comprenderlos tenemos necesariamente que separarlos y caracterizarlos pero siempre hay que tener presente que suceden los tres al mismo tiempo.

1.- Separación del soluto: resulta claro y evidente que para que las moléculas del agua se mezclen de forma homogénea con los iones del cloruro de sodio, estos últimos deben ser separados a fin de darles la libertad de movimiento necesaria. La separación de los iones se logra solo con la rotura de los enlaces iónicos y esto requiere energía.

2.- Separación del solvente: para dar cabida a los nuevos "inquilinos" en el soluto es necesario que sus moléculas se separen y con hemos visto para el agua estas moléculas están fuertemente unidas por las fuerzas dipolo-dipolo y los puentes de hidrógeno. De modo que la separación también requiere energía.

3.- Solvatación: este es el tercer proceso que se produce de forma simultánea con los dos anteriores y consiste en la ubicación de los iones individuales Na+ y Cl-  dentro del espacio creado entre las moléculas del soluto. Una que van entrando los iones cargados a la masa del soluto pueden interactuar con las moléculas polares del agua que los rodean, lo que resulta en fuerzas de atracción denominadas fuerzas ion-dipolo. Este proceso es contrario a los dos anteriores donde se requería energía para romper enlaces, ahora se forman enlaces, de modo que se desprende energía durante la formación.

Para el caso del agua y una sustancia iónica como el NaCl cada ion puede quedar rodeado de hasta seis moléculas de agua durante la solvatación, y como en esta situación en el proceso interviene agua también se conoce como hidratación y la energía liberada energía de hidratación.

En resumen, cuando se produce una solución se tienen que realizar tres procesos simultáneos, dos que requieren energía (la separación del soluto y la separación del solvente) ya que hay que romper fuerzas de atracción interpartículas, y el tercero se diferencia en que libera energía al formar fuerzas de atracción. La energía liberada durante la hidratación juega un papel importante en el suministro de la carga de energía necesaria para los otros dos procesos, pero la hidratación suministrará toda la energía necesaria, solo si la fuerza de atracción soluto-solvente es suficientemente fuerte, es decir si su formación produce toda la energía para hacer "el trabajo".

Con la última "herramienta" a mano, es decir lo que sucede desde el punto de vista energético durante una disolución, podemos establecer la situación que indica de manera general cuando una sustancia (soluto) se disolverá en un solvente y esta se puede resumir como:

Un soluto (o solutos) se disolverán en un solvente cuando la energía liberada en la solvatación sea igual o mayor que la necesaria para los otros dos procesos.

Una regla práctica que permite saber cuando un soluto se disolverá en un solvente se le llama la regla del "igual disuelve a igual" donde igual se refiere a la polaridad. Esto significa que los solventes polares disuelven mejor a sustancias polares mientras que los solventes no polares disuelven mejor a las sustancia no polares. Y es razonable veamos porqué.

La regla "iguales disuelven iguales"


Acabamos de terminar el análisis de un caso en el que una sustancia polar disuelve otra del mismo tipo (sistema agua-NaCl) en este caso la elevada cantidad de energía que se libera por la fuerte atracción ion-dipolo entre las moléculas de agua y los iones Na+ y Cl- puede darnos la razón del porque este sistema se dirige en el sentido de la disolución, el tercer proceso produce suficiente energía para suplir los requerimientos de los otros dos. Pero tratemos de disolver NaCl en tetracloruro de carbono (CCl4) que es un líquido (solvente) apolar.

Ya sabemos que la estructura del cloruro de sodio está formada por iones fuertemente unidos por atracción iónica en el cuerpo cristalino de la sustancia, de modo que la cantidad de energía necesaria para el primer proceso de la disolución (separación del soluto) es alta.

Por su parte el tetracloruro de carbono tiene sus moléculas unidas por fuerzas de van der Waals que son en general comparablemente menores que las fuerzas dipolo-dipolo de las moléculas polares, pero estas fuerzas son de magnitud suficiente para mantener la sustancia en estado líquido en condiciones normales, es decir no son demasiado débiles. Note que el cloro tiene 17 electrones y el carbono 6 lo que suma 23 electrones a la esfera de van del Waals y por tanto la posibilidad de producir desbalances de carga instantáneos significativos. Esta situación nos indica que se requieren cantidades moderadas de energía para llevar a cabo el segundo proceso de la disolución (la separación del solvente).

Sin embargo, la energía que puede producirse durante la solvatación es pequeña debido a que no existe una gran fuerza de atracción ion-dipolo entre ambas moléculas; los iones no encuentran zonas suficientemente cargadas en las moléculas del tetracloruro de carbono como para que se produzca una fuerza de atracción considerable.

Cuando se hace un balance de energía nos damos cuenta de que se necesita de una fuerte cantidad (para separar el soluto) + una cantidad moderada para separar el solvente y solo disponemos de una pequeña cantidad suministrada por la solvatación, la conclusión de tal balance es que no se puede producir la disolución y, de hecho, en la práctica el CCl4 no disuelve al NaCl.

Pero veamos el caso del sistema entre dos sustancias no polares, ahora los tres procesos requieren de poca energía, la separación del soluto requiere vencer las débiles fuerzas de van de Waals, la separación del solvente resulta en lo mismo, romper débiles fuerzas de van der Waals y la solvatación se hace del mismo modo a través de fuerzas de van der Waals liberando poca energía.

Como el balance de energías en este caso es entre cantidades muy pequeñas el resultado, ya sea en déficit o en exceso de energía, terminará siendo una cantidad extremadamente pequeña y de todas formas se producirá la disolución ayuda por otro factor involucrado que se denomina entropía.

La entropía

figura 4
Figura 4.

Bueno, la entropía en sentido estadístico es una medida de cuan espontáneo es un proceso (pero tiene definiciones mas específicas para otras ramas como la termodinámica desde el punto de vista de la energía).

Los procesos que nos rodean tienden a producirse espontáneamente en dos direcciones o tendencias. Una de estas tendencias es que todos se dirigen de estados de mayor energía a estados de menor energía, por ejemplo, si usted deja caer una pelota de las manos en las inmediaciones de la superficie de la Tierra siempre la pelota se dirigirá hacia abajo, hacia la Tierra, y nunca hacia el espacio; nuestra pelota se involucra en un proceso durante el cual su energía (potencial) disminuye hasta terminar en cero cuando reposa sobre la tierra adquiriendo la mayor estabilidad.

La otra tendencia de los procesos se relaciona más con la probabilidad de que ocurran de un modo o de otro. Pongamos un ejemplo, suponga que usted toma en las manos un juego de barajas españolas como las de la figura 4, las coloca contra la pared a la altura de su cara y luego las suelta. Todas la barajas terminan en el piso pero la probabilidad de que caigan una sobre la otra para formar el paquete es casi nula. Tampoco es probable que que caigan juntas todas las barajas con copas, o con espadas o de cualquier otro palo. La tendencia es a caer de forma desordenada sin ningún arreglo específico. El arreglo desordenado del ejemplo es el que tiene mayor entropía, y es al mismo tiempo el más probable, de manera que podemos decir que:

 La entropía es una magnitud que expresa la tendencia mas probable de suceso de un hecho.

Para nuestro ejemplo, el caso de que todas la barajas caigan unas sobre otras para formar el paquete tiene una entropía extremadamente baja mientras que la caída desordenada tiene una entropía mucho mayor. Los procesos en el universo se producen siempre de modo que van, al contrario que con la energía, en busca de la mayor entropía.

En resumen:

Aquellos procesos que se producen en el universo de forma espontánea lo hacen en el sentido de conseguir la menor energía y la mayor entropía posibles.

Cuando se disuelve un soluto en un solvente, el proceso siempre resulta en un incremento de entropía del sistema, de modo que si volvemos al caso de la solución de una sal iónica como el cloruro de litio (LiCl) en agua, donde la sal pasa del estado organizado como un conjunto de iones en un arreglo perfecto en el cristal, a una forma mas desordenada dentro de la solución, con los iones distribuidos entre las moléculas de agua, el sistema sufre un aumento de entropía. Si a esta tendencia natural le sumamos que la energía liberada sobrepasa la que se necesita para el proceso (hay una pérdida neta de energía del sistema) tenemos un caso donde las dos tendencias naturales están a favor de la solución y por tanto la solución será un hecho indiscutible y seguro.

Si el proceso de disolución resulta en una ganancia neta de energía (la solvatación no compensa a las etapas de separación) la disolución puede de todas formas ser espontánea debido a la ganancia de entropía cuando la ganancia neta de energía no es muy grande. Este es el caso de algunas situaciones durante la disolución de un soluto no polar en un solvente no polar en los cuales el sistema puede ganar una pequeña cantidad de energía como ya vimos, sin embargo, la ganancia en entropía del sistema dirige el proceso a la formación espontánea de la solución.  El hecho explica porqué casi siempre un solvente no polar disuelve un soluto no polar.

Por supuesto, el aumento de entropía nunca podrá sobreponerse a los grandes déficit de energía que se producen cuando se intenta disolver un soluto polar en un solvente no polar.



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