Solución (química)

En química, una solución o disolución es un tipo especial de mezcla homogénea compuesta de dos o más sustancias. En tal mezcla, un soluto es una sustancia disuelta en otra sustancia, conocida como solvente. El proceso de mezcla de una solución ocurre a una escala en la que están involucrados los efectos de la polaridad química, lo que da como resultado interacciones que son específicas de la solvatación. La solución suele tener el estado de solvente cuando el solvente es la fracción mayor de la mezcla, como suele ser el caso. Un parámetro importante de una solución es la concentración, que es una medida de la cantidad de soluto en una cantidad dada de solución o solvente. El término "solución acuosa" se utiliza cuando uno de los disolventes es agua.

Características

• Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias.
• Las partículas de soluto en una solución no se pueden ver a simple vista.
• Una solución no hace que los rayos de luz se dispersen.
• Una solución es estable.
• El soluto de una solución no se puede separar por filtración (o mecánicamente).
• Se compone de una sola fase.

Tipos

Homogéneo significa que los componentes de la mezcla forman una sola fase. Heterogéneo significa que los componentes de la mezcla son de diferente fase. Las propiedades de la mezcla (como la concentración, la temperatura y la densidad) pueden distribuirse uniformemente en el volumen, pero solo en ausencia de fenómenos de difusión o después de su finalización. Por lo general, la sustancia presente en mayor cantidad se considera el solvente. Los disolventes pueden ser gases, líquidos o sólidos. Uno o más componentes presentes en la solución que no sean el solvente se denominan solutos. La solución tiene el mismo estado físico que el solvente.

Mezclas gaseosas

Si el solvente es un gas, solo los gases (no condensables) o los vapores (condensables) se disuelven bajo un conjunto dado de condiciones. Un ejemplo de solución gaseosa es el aire (oxígeno y otros gases disueltos en nitrógeno). Dado que las interacciones entre las moléculas gaseosas casi no juegan ningún papel, los gases no condensables forman soluciones bastante triviales. En la literatura, ni siquiera se clasifican como soluciones, sino que simplemente se abordan como mezclas homogéneas de gases. El movimiento browniano y la agitación molecular permanente de las moléculas de los gases garantizan la homogeneidad de los sistemas gaseosos. Mezclas de gases no condensables (p. ej., aire/CO ₂, o aire/xenón) no se desmezclan espontáneamente, ni sedimentan, como capas de gas claramente estratificadas y separadas en función de su densidad relativa. Las fuerzas de difusión contrarrestan eficientemente las fuerzas de gravitación en las condiciones normales que prevalecen en la Tierra. El caso de los vapores condensables es diferente: una vez que se alcanza la presión de vapor de saturación a una temperatura dada, el exceso de vapor se condensa en estado líquido.

Soluciones líquidas

Si el disolvente es un líquido, casi todos los gases, líquidos y sólidos se pueden disolver. Aquí hay unos ejemplos:

• Gas en líquido:
  • Oxígeno en agua
  • Dióxido de carbono en agua: un ejemplo menos simple, porque la solución va acompañada de una reacción química (formación de iones). Las burbujas visibles en el agua carbonatada no son el gas disuelto, sino solo una efervescencia de dióxido de carbono que ha salido de la solución; el gas disuelto en sí no es visible ya que se disuelve a nivel molecular.
• Líquido en líquido:
  • La mezcla de dos o más sustancias de la misma química pero diferentes concentraciones para formar una constante. (Homogeneización de soluciones)
  • Las bebidas alcohólicas son básicamente soluciones de etanol en agua.
• Sólido en líquido:
  • Sacarosa (azúcar de mesa) en agua
  • Cloruro de sodio (NaCl) (sal de mesa) o cualquier otra sal en agua, que forma un electrolito: Al disolverse, la sal se disocia en iones.
• Las soluciones en agua son especialmente comunes y se denominan soluciones acuosas.
• Las soluciones no acuosas son cuando el solvente líquido involucrado no es agua.

Los contraejemplos son las mezclas líquidas que no son homogéneas: los coloides, las suspensiones y las emulsiones no se consideran soluciones.

Los fluidos corporales son ejemplos de soluciones líquidas complejas que contienen muchos solutos. Muchos de estos son electrolitos ya que contienen iones de soluto, como el potasio. Además, contienen moléculas de soluto como azúcar y urea. El oxígeno y el dióxido de carbono también son componentes esenciales de la química de la sangre, donde los cambios significativos en sus concentraciones pueden ser un signo de enfermedad o lesión grave.

Soluciones sólidas

Si el solvente es un sólido, entonces se pueden disolver gases, líquidos y sólidos.

• Gas en sólidos:
  • El hidrógeno se disuelve bastante bien en metales, especialmente en paladio; esto se estudia como un medio de almacenamiento de hidrógeno.
• Líquido en sólido:
  • Mercurio en oro, formando una amalgama
  • Agua en sal sólida o azúcar, formando sólidos húmedos
  • Hexano en cera de parafina
  • Polímeros que contienen plastificantes como ftalato (líquido) en PVC (sólido)
• Sólido en sólido:
  • Acero, básicamente una solución de átomos de carbono en una matriz cristalina de átomos de hierro.
  • Aleaciones como el bronce y muchas otras
  • Sulfato de radio disuelto en sulfato de bario: una verdadera solución sólida de Ra en BaSO ₄

Solubilidad

La capacidad de un compuesto para disolverse en otro compuesto se llama solubilidad. Cuando un líquido puede disolverse completamente en otro líquido, los dos líquidos son miscibles. Se dice que dos sustancias que nunca pueden mezclarse para formar una solución son inmiscibles.

Todas las soluciones tienen una entropía de mezcla positiva. Las interacciones entre diferentes moléculas o iones pueden verse favorecidas energéticamente o no. Si las interacciones son desfavorables, la energía libre disminuye al aumentar la concentración de soluto. En algún momento, la pérdida de energía supera la ganancia de entropía y no se pueden disolver más partículas de soluto; se dice que la solución está saturada. Sin embargo, el punto en el que una solución puede saturarse puede cambiar significativamente con diferentes factores ambientales, como la temperatura, la presión y la contaminación. Para algunas combinaciones soluto-disolvente, se puede preparar una solución supersaturada elevando la solubilidad (por ejemplo, aumentando la temperatura) para disolver más soluto y luego reduciéndola (por ejemplo, enfriando).

Por lo general, cuanto mayor es la temperatura del solvente, más de un soluto sólido dado puede disolver. Sin embargo, la mayoría de los gases y algunos compuestos presentan solubilidades que disminuyen con el aumento de la temperatura. Tal comportamiento es el resultado de una entalpía de solución exotérmica. Algunos tensioactivos exhiben este comportamiento. La solubilidad de los líquidos en líquidos es generalmente menos sensible a la temperatura que la de los sólidos o gases.

Propiedades

Las propiedades físicas de los compuestos, como el punto de fusión y el punto de ebullición, cambian cuando se agregan otros compuestos. Juntos se llaman propiedades coligativas. Hay varias formas de cuantificar la cantidad de un compuesto disuelto en los otros compuestos llamados colectivamente concentración. Los ejemplos incluyen molaridad, fracción volumétrica y fracción molar.

Las propiedades de las soluciones ideales se pueden calcular mediante la combinación lineal de las propiedades de sus componentes. Si tanto el soluto como el solvente existen en cantidades iguales (como en una solución de 50% de etanol y 50% de agua), los conceptos de "soluto" y "solvente" se vuelven menos relevantes, pero la sustancia que se usa con más frecuencia como solvente es normalmente designado como el solvente (en este ejemplo, agua).

Líquido

En principio, todos los tipos de líquidos pueden comportarse como disolventes: gases nobles líquidos, metales fundidos, sales fundidas, redes covalentes fundidas y líquidos moleculares. En la práctica de la química y la bioquímica, la mayoría de los solventes son líquidos moleculares. Se pueden clasificar en polares y no polares, según si sus moléculas poseen un momento dipolar eléctrico permanente. Otra distinción es si sus moléculas pueden formar enlaces de hidrógeno (disolventes próticos y apróticos). El agua, el disolvente más utilizado, es polar y mantiene enlaces de hidrógeno.

Las sales se disuelven en solventes polares, formando iones positivos y negativos que son atraídos por los extremos negativo y positivo de la molécula del solvente, respectivamente. Si el solvente es agua, la hidratación ocurre cuando los iones de soluto cargados se rodean de moléculas de agua. Un ejemplo estándar es el agua salada acuosa. Tales soluciones se llaman electrolitos. Siempre que la sal se disuelva en agua, se debe tener en cuenta la asociación de iones.

Los solutos polares se disuelven en disolventes polares, formando enlaces polares o enlaces de hidrógeno. Como ejemplo, todas las bebidas alcohólicas son soluciones acuosas de etanol. Por otro lado, los solutos no polares se disuelven mejor en solventes no polares. Algunos ejemplos son los hidrocarburos como el aceite y la grasa que se mezclan fácilmente, aunque son incompatibles con el agua.

Un ejemplo de la inmiscibilidad del petróleo y el agua es una fuga de petróleo de un buque tanque dañado, que no se disuelve en el agua del océano sino que flota en la superficie.

Preparación a partir de ingredientes constituyentes

Es una práctica común en los laboratorios hacer una solución directamente a partir de sus ingredientes constituyentes. Hay tres casos en el cálculo práctico:

• Caso 1: se da la cantidad de volumen de disolvente.
• Caso 2: se da la cantidad de masa de soluto.
• Caso 3: se da la cantidad de volumen de solución final.

En las siguientes ecuaciones, A es solvente, B es soluto y C es concentración. La contribución del volumen de soluto se considera a través del modelo de solución ideal.

• Caso 1: se da la cantidad (mL) de volumen de solvente V _A. Masa de soluto m _B = CV _A d _A /(100-C/d _B)
• Caso 2: se da la cantidad de masa de soluto m _B. Volumen de disolvente V _A = m _B (100/C-1/ d _B)
• Caso 3: se da la cantidad (mL) del volumen de solución final Vt. Masa de soluto m _B = C Vt /100; Volumen de disolvente V _A =(100/C-1/ d _B) m _B
• Caso 2: se conoce la masa del soluto, V _A = m _B 100/C
• Caso 3: se conoce el volumen total de la solución, misma ecuación que en el caso 1. V _A =Vt; m _B = CV _A /100

Ejemplo: Preparar 2 g/100mL de solución de NaCl con 1 L de agua Agua (propiedades). La densidad de la solución resultante se considera igual a la del agua, afirmación que se cumple especialmente para soluciones diluidas, por lo que no se requiere la información de la densidad.m _B = CV _A = (2 / 100) g/mL × 1000 mL = 20 g