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Química: Comenzando con los átomos 2ed

11.1 El proceso de disolución

Química: Comenzando con los átomos 2ed11.1 El proceso de disolución

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir las propiedades básicas de las soluciones y cómo se forman.
  • Predecir si una mezcla dada dará lugar a una solución con base en las propiedades moleculares de sus componentes.
  • Explique por qué algunas soluciones producen o absorben calor cuando se forman.

En un capítulo anterior de este texto se presentaron las soluciones, que se definen como mezclas homogéneas de dos o más sustancias. A menudo, uno de los componentes de una solución está presente en una concentración significativamente mayor, en cuyo caso se denomina solvente. Los otros componentes de la solución presentes en concentraciones relativamente menores se llaman solutos. El azúcar es un sólido covalente compuesto por moléculas de sacarosa, C12H22O11. Cuando este compuesto se disuelve en el agua, sus moléculas se distribuyen uniformemente entre las moléculas del agua:

C12H22O11(s)C12H22O11(aq)C12H22O11(s)C12H22O11(aq)

El subíndice "aq" en la ecuación significa que las moléculas de sacarosa son solutos y, por tanto, están dispersas individualmente en la solución acuosa (el agua es el solvente). Aunque las moléculas de sacarosa son más pesadas que las de agua, permanecen dispersas en la solución; la gravedad no hace que se "asienten" con el tiempo.

El dicromato de potasio, K2Cr2O7, es un compuesto iónico formado por iones incoloros de potasio, K+, e iones anaranjados de dicromato, Cr2O72−.Cr2O72−. Cuando se añade una pequeña cantidad de dicromato de potasio sólido al agua, el compuesto se disuelve y se disocia para dar lugar a iones de potasio e iones de dicromato distribuidos uniformemente en la mezcla (Figura 11.2), como se indica en esta ecuación:

K2Cr2O7(s)2K+(aq)+Cr2O72−(aq)K2Cr2O7(s)2K+(aq)+Cr2O72−(aq)

Al igual que la mezcla de azúcar y agua, esta mezcla también es una solución acuosa. Sus solutos, los iones potasio y dicromato, permanecen dispersos individualmente entre las moléculas del solvente (agua).

La primera foto muestra un pequeño montículo de un sólido cristalino de color naranja. Hay una flecha hacia la derecha. La segunda foto muestra un líquido translúcido e incoloro en un recipiente transparente. Hay una flecha hacia la derecha. La tercera foto muestra un líquido anaranjado translúcido en un recipiente transparente con tapa.
Figura 11.2 Cuando el dicromato de potasio (K2Cr2O7) se mezcla con agua forma una solución homogénea de color naranja (créditos: modificación del trabajo de Mark Ott).

El agua se utiliza tan a menudo como solvente que la palabra solución ha llegado a implicar una solución acuosa para muchas personas. Sin embargo, casi cualquier gas, líquido o sólido puede actuar como solvente. Muchas aleaciones son soluciones sólidas de un metal disuelto en otro; por ejemplo, las monedas estadounidenses de cinco céntimos contienen níquel disuelto en cobre. El aire es una solución gaseosa, una mezcla homogénea de nitrógeno, oxígeno y otros gases. El oxígeno (un gas), el alcohol (un líquido) y el azúcar (un sólido) se disuelven en agua (un líquido) para formar soluciones líquidas. La Tabla 11.1 da ejemplos de varias soluciones diferentes y de las fases de los solutos y los solventes.

Diferentes tipos de soluciones
Solución Soluto Solvente
aire O2(g) N2(g)
bebidas no alcohólicas1 CO2(g) H2O(l)
hidrógeno en paladio H2(g) Pd(s)
alcohol para fricciones H2O(l) C3H8O(l) (2-propanol)
agua salada NaCl(s) H2O(l)
latón Zn(s) Cu(s)
Tabla 11.1

Las soluciones presentan estos rasgos definitorios:

  • Son homogéneas; después de mezclar una solución, esta tiene la misma composición en todos los puntos (su composición es uniforme).
  • El estado físico de una solución -sólida, líquida o gaseosa- suele ser el mismo que el del solvente, como demuestran los ejemplos de la Tabla 11.1.
  • Los componentes de una solución están dispersos a escala molecular; consisten en una mezcla de partículas de soluto separadas (moléculas, átomos o iones), cada una de ellas estrechamente rodeada por especies de solvente.
  • El soluto disuelto en una solución no se sedimenta ni se separa del solvente.
  • La composición de una solución, o las concentraciones de sus componentes, pueden variar de forma continua (dentro de unos límites determinados por la solubilidad de los componentes, que se analizan en detalle más adelante en este capítulo).

La formación de soluciones

La formación de una solución es un ejemplo de proceso espontáneo, un proceso que se produce en condiciones específicas sin necesidad de energía de alguna fuente externa. A veces se agita la mezcla para acelerar el proceso de disolución, pero no es necesario; al final se formará una solución homogénea. El tema de la espontaneidad es de vital importancia para el estudio de la termodinámica química y se trata con más detalle en un capítulo posterior de este texto. Para el análisis de este capítulo, bastará con considerar dos criterios que favorecen, pero no garantizan, la formación espontánea de una solución:

  1. una disminución de la energía interna del sistema (un cambio exotérmico, como se ha comentado en el capítulo anterior sobre termoquímica).
  2. un aumento de la dispersión de la materia en el sistema (lo que indica un aumento de la entropía del sistema, como se verá en el capítulo posterior sobre termodinámica).

En el proceso de disolución, a menudo, pero no siempre, se produce un cambio de energía interna al absorber o evolucionar el calor. Cuando se forma una solución a partir de la distribución uniforme de las moléculas de soluto en un solvente, siempre se produce un aumento de la dispersión de la materia.

Cuando las fuerzas intermoleculares de atracción entre las especies del soluto y del solvente en una solución no son diferentes de las presentes en los componentes separados, la solución se forma sin ningún cambio de energía. Esta solución se denomina solución ideal. Una mezcla de gases ideales (o de gases como el helio y el argón, que se acercan mucho al comportamiento ideal) es un ejemplo de solución ideal, ya que las entidades que componen estos gases no experimentan atracciones intermoleculares significativas.

Cuando se conectan recipientes de helio y argón, los gases se mezclan espontáneamente debido a la difusión y forman una solución (Figura 11.3). La formación de esta solución implica claramente un aumento de la dispersión de la materia, ya que los átomos de helio y de argón ocupan un volumen dos veces mayor que el que cada uno ocupaba antes de la mezcla.

Se muestran dos figuras. La primera contiene dos recipientes esféricos unidos por una llave de paso cerrada. El contenedor de la izquierda está marcado como H e. Contiene una treintena de pequeñas esferas de color azul claro uniformemente dispersas. El recipiente de la derecha está marcado como A r y contiene una treintena de esferas azul-verde ligeramente más grandes. La segunda figura, similar, tiene una llave de paso abierta entre los dos recipientes esféricos. Las esferas de color azul claro y verde están uniformemente dispersas y presentes en ambos contenedores.
Figura 11.3 Las muestras de helio y argón se mezclan espontáneamente para dar una solución.

También pueden formarse soluciones ideales cuando se mezclan líquidos estructuralmente similares. Por ejemplo, las mezclas de los alcoholes metanol (CH3OH) y etanol (C2H5OH) forman soluciones ideales, al igual que las mezclas de los hidrocarburos pentano, C5H12, y hexano, C6H14. Al colocar metanol y etanol, o pentano y hexano, en las bombillas mostradas en la Figura 11.3 se producirá la misma difusión y posterior mezcla de estos líquidos que se observa para los gases He y Ar (aunque a un ritmo mucho más lento), lo que da lugar a soluciones sin cambios significativos en la energía. Sin embargo, a diferencia de una mezcla de gases, los componentes de estas soluciones líquido-líquido sí experimentan fuerzas de atracción intermoleculares. Pero como las moléculas de las dos sustancias que se mezclan son estructuralmente muy similares, las fuerzas de atracción intermoleculares entre las moléculas similares y las diferentes son esencialmente las mismas, y el proceso de disolución, por lo tanto, no implica ningún aumento o disminución apreciable de la energía. Estos ejemplos ilustran cómo el aumento de la dispersión de la materia puede proporcionar por sí solo la fuerza motriz necesaria para provocar la formación espontánea de una solución. Sin embargo, en algunos casos, las magnitudes relativas de las fuerzas intermoleculares de atracción entre las especies de soluto y solvente pueden impedir la disolución.

En el proceso de disolución intervienen tres tipos de fuerzas de atracción intermoleculares: soluto-soluto, solvente-solvente y soluto-solvente. Como se ilustra en la Figura 11.4, la formación de una solución puede verse como un proceso escalonado en el que se consume energía para superar las atracciones soluto-soluto y solvente-solvente (procesos endotérmicos) y se libera cuando se establecen las atracciones soluto-solvente (un proceso exotérmico denominado solvatación). Las magnitudes relativas de los cambios de energía asociados a estos procesos escalonados determinan si el proceso de disolución en general liberará o absorberá energía. En algunos casos, las soluciones no se forman porque la energía necesaria para separar las especies de soluto y solvente es mucho mayor que la energía liberada por la solvatación.

La región superior y central de la figura muestra las partículas de soluto como siete esferas azules y las partículas de solvente como 16 esferas rojas en cajas separadas y marcadas. Las partículas de estas cajas se tocan. Una flecha marcada como "Paso 1" apunta a la izquierda de la caja del soluto y muestra las esferas azules que ya no se tocan en otra caja marcada como "soluto expandido". Una flecha marcada como "Paso 2" apunta a la derecha de la caja del solvente y muestra las esferas rojas que ya no se tocan en otra caja marcada como "solvente expandido". Las flechas parten de la parte inferior de las cajas de soluto expandido y de solvente expandido y se unen en la parte inferior de la figura, donde se muestra la marca del paso 3. Las flechas unidas señalan una caja justo encima en la que las esferas roja y azul se mezclan y se tocan. Las cajas de soluto y solvente están unidas por otra flecha marcada como "formación directa de la solución" que apunta hacia abajo en el centro de la figura. Esta flecha también apunta a la caja que contiene esferas rojas y azules mezcladas cerca de la parte inferior de la figura.
Figura 11.4 Esta representación esquemática de la disolución muestra un proceso escalonado que implica la separación endotérmica de las especies de soluto y solvente (pasos 1 y 2) y la disolución exotérmica (paso 3).

Consideremos el ejemplo de un compuesto iónico que se disuelve en agua. La formación de la solución requiere que las fuerzas electrostáticas entre los cationes y los aniones del compuesto (soluto-soluto) se superen por completo, ya que se establecen fuerzas de atracción entre estos iones y las moléculas de agua (soluto-solvente). El enlace de hidrógeno entre una fracción relativamente pequeña de las moléculas de agua también debe superarse para dar cabida a cualquier soluto disuelto. Si las fuerzas electrostáticas del soluto son significativamente mayores que las fuerzas de solvatación, el proceso de disolución es significativamente endotérmico y el compuesto puede no disolverse en una medida apreciable. El carbonato de calcio, principal componente de los arrecifes de coral, es un ejemplo de este tipo de compuestos iónicos "insolubles" (vea la Figura 11.1). Por otro lado, si las fuerzas de solvatación son mucho más fuertes que las fuerzas electrostáticas del compuesto, la disolución es significativamente exotérmica y el compuesto puede ser altamente soluble. Un ejemplo común de este tipo de compuesto iónico es el cloruro de sodio, comúnmente conocido como sal de mesa.

Como se señaló al principio de este módulo, la formación de soluciones espontáneas se ve favorecida, pero no garantizada, por los procesos de disolución exotérmica. Aunque muchos compuestos solubles se disuelven con la liberación de calor, algunos se disuelven de forma endotérmica. El nitrato de amonio (NH4NO3) es uno de esos ejemplos y se utiliza para hacer compresas frías instantáneas, como la que aparece en la Figura 11.5, que se usan para tratar lesiones. Una bolsa de plástico de paredes finas con agua se sella dentro de una bolsa más grande con NH4NO3 sólido. Cuando se rompe la bolsa más pequeña, se forma una solución de NH4NO3 que absorbe el calor del entorno (la zona lesionada a la que se aplica la compresa) y proporciona una compresa fría que disminuye la hinchazón. Las disoluciones endotérmicas como esta requieren un mayor aporte de energía para separar las especies de solutos que el que se recupera cuando los solutos se disuelven, pero son, no obstante, espontáneas debido al aumento del desorden que acompaña a la formación de la solución.

Esta figura muestra una bolsa de frío instantánea de un solo uso con etiquetas que indican una bolsa interior de agua rodeada de partículas blancas de nitrato de amonio.
Figura 11.5 Una bolsa de frío instantánea se enfría cuando ciertas sales, como el nitrato de amonio, se disuelven en el agua, un proceso endotérmico.

Notas a pie de página

  • 1Si se observan burbujas de gas dentro del líquido, la mezcla no es homogénea y, por tanto, no es una solución.
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