Las soluciones son mezclas homogéneas formadas por la combinación de dos o más sustancias que no reaccionan químicamente entre sí. En cualquier solución, los componentes se pueden clasificar en dos grupos principales: el soluto y el solvente. El soluto es la sustancia que se disuelve, mientras que el solvente es el medio en el que se disuelve el soluto. Aunque en la mayoría de los casos el solvente es un líquido, y el soluto puede ser sólido, líquido o gaseoso, en realidad, cualquier estado de la materia puede actuar como soluto o solvente.
Soluto
Es la sustancia presente en menor cantidad dentro de la solución. Se disuelve en el solvente y, dependiendo de su naturaleza y la del solvente, puede disolverse hasta el nivel molecular o iónico. Los solutos alteran las propiedades físicas del solvente, como el punto de congelación y el punto de ebullición.
Solvente
Es el componente que se encuentra en mayor proporción. Su función principal es disolver al soluto, proporcionando el medio en el que las partículas del soluto se distribuyen. El agua es el solvente más común en las soluciones químicas, especialmente en los sistemas biológicos, lo que le ha valido el apodo de “el solvente universal”.
La diferenciación entre mezclas homogéneas y heterogéneas es un concepto fundamental en el estudio de las soluciones:
- Mezclas Homogéneas: En estas mezclas, la composición es uniforme en toda la solución. Las partículas del soluto están distribuidas de manera uniforme y no se pueden distinguir a simple vista ni con un microscopio óptico. Las soluciones son un ejemplo claro de mezclas homogéneas, donde los componentes están tan uniformemente mezclados que solo se presenta una única fase visible.
- Mezclas Heterogéneas: A diferencia de las homogéneas, estas mezclas presentan una composición no uniforme y se pueden distinguir diferentes fases o componentes a simple vista o con la ayuda de un microscopio. Las suspensiones y las emulsiones son ejemplos de mezclas heterogéneas, donde las partículas de soluto son lo suficientemente grandes para asentarse por acción de la gravedad o para ser visualizadas como distintas del solvente.
Tipos de soluciones
Las soluciones se pueden clasificar en diversos tipos según el solvente utilizado y la concentración del soluto. A continuación, se describen las categorías principales:
Soluciones acuosas y no acuosas:
Soluciones acuosas:
Son aquellas en las que el agua actúa como solvente. Dado que el agua es un solvente polar, puede disolver una amplia variedad de solutos, incluidos sales, azúcares, ácidos, bases y gases. En las soluciones acuosas, las interacciones entre las moléculas de agua y las partículas del soluto son cruciales para el proceso de disolución. Estas soluciones son fundamentales en la química, biología y en muchas aplicaciones industriales y ambientales.
Soluciones no acuosas:
En estas soluciones, el solvente no es agua, sino otro líquido como el alcohol, benceno, acetona, entre otros. Las soluciones no acuosas son esenciales cuando el soluto no es soluble en agua o cuando se requieren condiciones de reacción específicas que el agua no puede proporcionar, como entornos sin la presencia de hidrógeno o oxígeno, o en casos donde el agua podría reaccionar con el soluto o el solvente.
Soluciones diluidas, concentradas, saturadas y sobresaturadas:
Soluciones diluidas:
Son aquellas en las que la cantidad de soluto es relativamente pequeña en comparación con la cantidad de solvente. En estas soluciones, las propiedades del solvente no se alteran significativamente por la presencia del soluto. Son comunes en procesos donde se requiere una pequeña reactividad del soluto.
Un ejemplo clásico de una solución diluida es el agua potable clorada. En ella, se añade una pequeña cantidad de cloro (generalmente en forma de hipoclorito) para desinfectar el agua sin alterar significativamente sus propiedades químicas o físicas. La concentración de cloro en el agua potable suele ser tan baja que no afecta su sabor ni su seguridad para el consumo, pero es suficiente para eliminar microorganismos nocivos.
Soluciones concentradas:
Contienen una cantidad relativamente grande de soluto disuelto en el solvente. En estas soluciones, las propiedades del solvente pueden verse significativamente alteradas por el soluto. Estas soluciones son útiles en reacciones donde se necesita una gran cantidad de soluto.
Un ejemplo de solución concentrada es el ácido sulfúrico industrial (H₂SO₄), utilizado en la producción de fertilizantes, en refinerías de petróleo y en procesos químicos industriales. En su forma concentrada, puede tener concentraciones superiores al 90% en masa. En estas soluciones, las propiedades físicas y químicas del agua (el solvente) cambian significativamente debido a la alta proporción de ácido.
Soluciones saturadas:
Una solución saturada es aquella en la que se ha disuelto la máxima cantidad posible de soluto a una temperatura dada. En este punto, cualquier adición adicional de soluto no se disolverá y formará un precipitado. El equilibrio entre la fase disuelta y la precipitada define la saturación.
Un buen ejemplo de solución saturada es una solución de sulfato de sodio (Na₂SO₄) a 20 °C. A esta temperatura, la máxima cantidad de Na₂SO₄ que se puede disolver en 100 g de agua es aproximadamente 20 g. Si intentas añadir más sulfato de sodio a esta solución, no se disolverá y se formará un precipitado en el fondo del recipiente, indicando que la solución ha alcanzado su punto de saturación.
Soluciones sobresaturadas:
Son soluciones inestables que contienen una cantidad de soluto mayor que la máxima que puede ser sostenida por el solvente a una temperatura específica. La sobresaturación se puede lograr cambiando las condiciones bajo las cuales se formó la solución, como enfriando una solución saturada sin perturbarla. Las soluciones sobresaturadas son metaestables y pueden precipitar el soluto excedente si se perturban.
Un ejemplo interesante de solución sobresaturada es la solución de acetato de sodio “súper enfriada”. Al disolver acetato de sodio en agua caliente y luego enfriar la solución lentamente sin perturbarla, se puede obtener una solución sobresaturada. Esta solución permanece líquida por debajo de la temperatura a la que normalmente cristalizaría el soluto. Sin embargo, si se introduce un pequeño cristal de acetato de sodio o se golpea el recipiente, se induce una rápida cristalización, liberando calor en un proceso exotérmico.
Porcentaje (masa/masa, volumen/volumen, masa/volumen)
El concepto de porcentaje de concentración en soluciones es una manera práctica y directa de expresar la cantidad de soluto disuelto en un solvente. Se utiliza ampliamente en diversas áreas, desde la química y la biología hasta la industria y la farmacia. La concentración porcentual puede expresarse de tres maneras principales, dependiendo de la naturaleza de los componentes de la solución: porcentaje masa/masa, porcentaje volumen/volumen y porcentaje masa/volumen.
1. Porcentaje masa/masa (% m/m):
Este tipo de concentración se expresa como la masa del soluto dividida por la masa total de la solución, todo esto multiplicado por 100 para obtener un porcentaje. La fórmula es:
Por ejemplo, si se tienen 5 g de sal disueltos en 95 g de agua, la masa total de la solución sería 100 g, y la concentración porcentual masa/masa sería:
Este cálculo indica que hay 5 g de soluto por cada 100 g de solución.
2. Porcentaje volumen/volumen (% v/v):
El porcentaje volumen/volumen se utiliza cuando tanto el soluto como el solvente están en estado líquido, y se define como el volumen del soluto dividido por el volumen total de la solución, multiplicado por 100. La fórmula es:
Por ejemplo, en una solución de alcohol en agua donde hay 25 mL de alcohol en 75 mL de agua, el volumen total de la solución es 100 mL. La concentración % v/v sería:
Este resultado significa que hay 25 mL de alcohol por cada 100 mL de solución.
3. Porcentaje masa/volumen (% m/v):
Esta concentración se utiliza comúnmente en soluciones donde el soluto es sólido y el solvente es líquido. Se define como la masa del soluto en gramos por cada 100 mL de solución. La fórmula es:
Por ejemplo, si disolvemos 10 g de NaCl en agua suficiente para hacer un volumen final de 500 mL, la concentración % m/v sería:
Este cálculo indica que hay 10 g de NaCl en cada 500 mL de solución, o más directamente, 2 g de NaCl por cada 100 mL de solución.
El entendimiento y la habilidad para calcular estas concentraciones porcentuales son cruciales para la preparación y análisis de soluciones en laboratorios, y por supuesto, son cosas que pueden preguntar en tu examen de admision EXANI-II.
Partes por millón (ppm)
La concentración expresada en partes por millón (ppm) es un método utilizado para describir concentraciones muy diluidas de sustancias. Una concentración de 1 ppm indica que hay una unidad de soluto por cada millón de unidades de solución. Es un método comúnmente utilizado cuando las concentraciones de soluto son muy bajas, como en el caso de contaminantes en el agua o la concentración de minerales en soluciones nutricionales. Especificamente lo podemos definir como:
- Partes por millón (ppm): Se define como la masa de soluto dividida por la masa total de la solución, multiplicada por un millón (106106). En términos más simples, ppm es equivalente a microgramos de soluto por gramo de solución, o miligramos de soluto por kilogramo de solución.
El factor es esencial en la definición y el cálculo de las partes por millón (ppm) porque establece la escala en la que estamos midiendo la concentración. La expresión “partes por millón” sugiere que estamos dividiendo una cantidad en un millón de partes y luego determinando cuántas de esas partes corresponden al soluto.
Cálculo de concentraciones en ppm:
Para calcular la concentración en ppm, necesitas conocer la masa del soluto en miligramos y la masa total de la solución en kilogramos. A menudo, en soluciones acuosas, si no se conoce la masa de la solución pero sí su volumen (y asumiendo una densidad cercana a 1 g/mL para la solución), se puede usar el volumen en litros directamente para encontrar la masa total de la solución en kilogramos, facilitando así el cálculo.
Vamos a trabajar con un ejemplo para ilustrar cómo se calcula una concentración en partes por millón (ppm). Supongamos que queremos determinar la concentración de un contaminante en una muestra de agua.
Ejemplo:
Imagina que hemos detectado 0.5 mg de mercurio (Hg) en una muestra de agua que tiene un volumen total de 500 mL. Queremos calcular la concentración de mercurio en la muestra en ppm.
Paso 1: Identificar los datos proporcionados:
- Masa del soluto (mercurio, Hg): 0.5 mg
- Volumen de la solución (agua): 500 mL
Paso 2: Convertir el volumen de la solución a kilogramos (kg) si se asume la densidad del agua aproximadamente igual a 1 g/mL:
- Dado que 1 mL de agua tiene una masa aproximada de 1 g, 500 mL tendrán una masa de 500 g.
- Convertimos 500 g a kilogramos:
Paso 3: Aplicar la fórmula para calcular la concentración en ppm:
La concentración en ppm se calcula como la masa del soluto en miligramos dividida por la masa total de la solución en kilogramos, multiplicado por 10⁶ (un millón):
Realizamos la operación:
Resultado:
La concentración de mercurio en la muestra de agua es de 1 ppm. Esto significa que en cada kilogramo de agua de la muestra, hay 1 mg de mercurio.
Conversión de unidades:
En el contexto de soluciones acuosas, considerando que la densidad del agua es aproximadamente 1 g/mL, 1 ppm equivale a 1 mg de soluto por litro de solución (1 mg/L1 mg/L). Esta relación simplifica el cálculo en sistemas acuosos porque no es necesario ajustar por la densidad del solvente.
Ejemplos:
- Contaminación del agua: Si se encuentra que una muestra de agua tiene 2 mg de plomo por cada litro de agua, la concentración de plomo es de 2 ppm. Esta medida es fundamental para evaluar la calidad del agua y asegurar que cumple con las normativas de seguridad para el consumo humano.
Molaridad
La molaridad es una de las formas más comunes y fundamentales de expresar la concentración de una solución en química. Se define como la cantidad de moles de soluto presentes en un litro de solución. Dado que la molaridad se basa en el volumen total de la solución y no solo en el volumen del solvente, proporciona una medida directa y práctica de la concentración que es especialmente útil en reacciones químicas y cálculos estequiométricos.
La molaridad (M) se calcula utilizando la siguiente fórmula:
Para determinar la molaridad, necesitas conocer dos cosas: la cantidad del soluto en moles y el volumen total de la solución en litros.
- Determinación de moles de soluto: Para calcular los moles de soluto, primero debes conocer la masa del soluto que se añade a la solución y su masa molar (peso molecular). La masa molar se puede encontrar sumando las masas atómicas de todos los átomos en una molécula del compuesto, generalmente expresadas en gramos por mol.
- Medición del volumen de la solución: El volumen total de la solución se mide en litros, y es importante destacar que se refiere al volumen final de la solución, no solo al volumen del solvente.
Ejemplos de preguntas EXANI-II:
Ejemplo 1:
Calcula la molaridad de una solución preparada al disolver 15.8 gramos de cloruro de potasio (KCl) en agua para formar un volumen final de 500 mL de solución. Considera la masa molar de K como 39.1 g/mol y la masa molar de Cl como 35.5g/mol
Resolución:
- Calcular la masa molar del cloruro de potasio (KCl): Para esto, sumamos la masa molar del potasio (K) y la del cloro (Cl):
Sustituimos los valores conocidos:
- Encontrar los moles de KCl que se disolvieron: Utilizamos la fórmula para calcular la cantidad en moles:
Reemplazamos los valores:
Calculamos el valor:
- Calcular la molaridad de la solución: La molaridad se define como los moles de soluto por litros de solución. Dado que el volumen final de la solución es de 500 mL, lo convertimos a litros:
Luego aplicamos la fórmula de la molaridad:
Sustituyendo los valores obtenidos:
Calculamos la molaridad:
Por lo tanto, la molaridad de la solución es aproximadamente 0.424 M, lo que indica la concentración de cloruro de potasio en la solución.
Ejemplo 2:
Se disolvieron 3.9 gramos de sulfato de cobre (CuSO4) en agua para preparar 250 mL de solución. Considerando que la masa molar del CuSO4 es de 159.6 g/mol, ¿cuál es la concentración molar de la solución resultante?
Resolución:
Necesitamos encontrar la concentración molar de una solución. La concentración molar se define como moles de soluto por litros de solución. En este caso, el soluto es CuSO4, y se nos proporcionan su masa disuelta y el volumen final de la solución.
1. Calcular los moles de CuSO4
Primero, necesitamos encontrar la cantidad en moles de CuSO4 que se disolvieron. Para ello, usamos la fórmula:
Dado que:
- Masa (m) = 3.9 g (la cantidad dada de CuSO4)
- Masa molar (M) = 159.6 g/mol (la masa molar proporcionada de CuSO4)
Sustituimos los valores en la fórmula:
Calculando:
2. Convertir el volumen de 250 mL a litros
Necesitamos el volumen en litros para usarlo en la fórmula de concentración molar. Para convertir mililitros a litros, dividimos el volumen en mililitros por 1000:
Dado que el volumen de la solución es 250 mL, convertimos este volumen a litros:
3. Calcular la concentración molar (M)
Finalmente, calculamos la concentración molar usando la fórmula:
Sustituimos los valores obtenidos:
Calculando:
Ahora podemos concluir que la concentración molar de la solución es aproximadamente 0.09774 M.
Soluciones, Coloides y Suspensiones
Es importante no confundir el concepto de solución con una dispersión coloide o una suspensión. Cuando no se pueden ver a simple vista los componentes de una solución pero estos al pasarlos por una membrana pequeña y la solución separarse en dos compuestos diferentes se dice que esta no es una solución. Verdadera, siendo esta un coloide o una suspensión.
Un coloide es una mezcla “Intermedia” entre las mezclas homogéneas y heterogéneas. El estado coloidal se caracteriza por estar constituido por particulas muy pequeñas como para sedimentarse (irse hacia abajo cuando la solución reposa) y demasiado grandes como para formar una solución verdadera.
Coloides
Los coloides “son mezclas constituidas por dos fases de materia” la fase dispersa y la fase continua. Las fases no pueden separar al pasarlos a traces de un papel filtro ordinario. Es frecuente clasificar los coloides, según el estado de agregación de sus fases integrantes, aunque no hay posibilidad de distinguir estas una vez que el coloide está formado.
Suspensión
Una suspensión es una mezcla heterogénea formada por una sustancia dispersa en otra, y al dejar reposar la mezcla, las partículas se sedimentan en el fondo. Las fases que constituyen a una suspensión se distinguen a simple vista como seria el agua de mar con la arena o el agua con aceite, que al dejar reposar por un momento la suspensión podemos observar los componentes de una y otra. También al pasar un papel filtro a través de la membra se puede separar uno de sus componentes.
| Diferencias entre Solución, Coloide y Suspensión | |||
| Características | Solución | Coloide | Suspensión |
| Tipo de mezcla | Mezcla homogénea | Mezclas intermedias entre homogénea y heterogénea. | Mezcla heterogénea |
| Componentes | El soluto se disuelve en el solvente. | Fase se dispersa y fase continua. | Una sustancia esta dispersa en otra. |
| Filtración | Pasan a través de un papel filtro sin separarse | Pasan a través de un papel filtro ordinario sin separarse | Se separan mediante papel filtro |
| Tamaño de partículas | 1nm | 1-100nm | >100nm |
| Luz | No dispersan la luz | Dispersan la luz | Dispersan la luz |
| Reposo | No se separan | No se separan | Se separan |
Preguntas EXANI-II
Pregunta 1 (Ejercicio tomado del Simulador EXANI-II):
¿Cuál es la cantidad en partes por millón de 2.25 mg de sulfatos (SO4) presentes en una muestra de 350 mL de agua?
- 0.006 ppm
- 0.064 ppm
- 6.428 ppm
Explicación:
Para calcular las partes por millón (ppm), utilizamos la siguiente fórmula:
Paso 1: Convertir el volumen de agua a masa.
Dado que la densidad del agua es aproximadamente 1 g/mL, 350 mL de agua equivalen a aproximadamente 350 g. Ahora necesitamos convertir esta masa a kilogramos para usarla en nuestra fórmula ppm:
Paso 2: Aplicar la fórmula de ppm.
Ahora colocamos la masa del soluto y la masa del solvente en la fórmula:
Respuesta:
La cantidad de sulfatos (SO4) en la muestra de agua es de 6.428 ppm. Esto significa que en un millón de partes de agua, hay 6.428 partes de sulfatos.
Pregunta 2 (Ejercicio tomado del Simulador EXANI-II):
¿Cuál de las siguientes sustancias corresponde a una solución diluida?
Néctar de frutas
Aderezo para ensalada
Agua de sabor
Explicación:
Respuesta correcta a) Agua de sabor.
El agua de sabor generalmente contiene una cantidad relativamente baja de soluto (azúcares, esencias o colorantes) en comparación con el solvente (agua), lo que la convierte en una solución diluida.
Las otras opciones no son correctas porque:
- El néctar de frutas y el aderezo para ensalada suelen tener concentraciones más altas de solutos como azúcares, aceites y otros ingredientes, lo que las hace más concentradas en comparación con las aguas de sabor.
Pregunta 3 (Ejercicio tomado del Simulador EXANI-II):
Se pesó 1 g de NaOH y se disolvió en 100 mL de agua. ¿Cuál es la concentración molar de la disolución resultante, considerando que la masa del NaOH es de 40 g/mol?
- 0.00025 M
- 0.25 M
- 0.40 M
Explicación:
Paso 1: Calcular los moles de NaOH.
La molaridad (M) se define como moles de soluto por litros de solución. Para calcular los moles de NaOH, usamos la masa del NaOH y su masa molar:
Sustituimos los valores conocidos:
Paso 2: Convertir el volumen de la solución a litros.
Necesitamos el volumen en litros para usarlo en la fórmula de la molaridad:
Paso 3: Calcular la molaridad.
Ahora, calculamos la molaridad (M) dividiendo los moles de NaOH entre los litros de solución:
Sustituimos los valores que calculamos:
Realizamos la operación:
La concentración molar de la disolución resultante es 0.25 M. Este resultado significa que en cada litro de solución hay 0.25 moles de NaOH disueltos.