11.1: El proceso de la disolución

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habilidades para desarrollar

Describir las propiedades básicas de las soluciones y cómo se forman.
Predecir si una mezcla dada producirá una solución basada en las propiedades moleculares de sus componentes
Explicar por qué algunas soluciones producen o absorben calor cuando se forman

Un capítulo anterior de este texto introdujo las soluciones, definidas como mezclas homogéneas de dos o más sustancias. A veces, un componente de una solución está presente en una concentración significativamente mayor, en cual caso se llama el solvente. Los otros componentes de la solución presentes en concentraciones relativamente bajas se llaman los solutos. El azúcar es un sólido covalente compuesto de moléculas de sacarosa, \(\ce{C12H22O11}\). Cuando este compuesto se disuelve en el agua, sus moléculas se distribuyen uniformemente entre las moléculas del agua:

\[\ce{C12H22O11 (s) ⟶ C12H22O11 (aq) } \label{Eq1}\]

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

El dicromato de potasio, \(\ce{K_2Cr_2O_7}\), es un compuesto iónico hecho de iones de potasio sin color, \(\mathrm{K^+}\) y los iones de dicromato de color naranja, \(\ce{Cr_2O_7^{2−}}\). Cuando se agrega una pequeña cantidad de dicromato de potasio sólido al agua, el compuesto se disuelve y se disocia para producir iones de potasio e iones de dicromato distribuidos uniformemente en toda la mezcla (Figura \(\PageIndex{1}\)), como se indica en esta ecuación:

\[\ce{K2Cr2O7(s) ⟶ 2K^{+} (aq) + Cr2O7^{2-} (aq)} \label{Eq2}\]

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

The first photo shows a small mound of an orange crystalline solid. There is a right-facing arrow. The second photo shows a translucent, colorless liquid in a clear container. There is a right-facing arrow. The third photo shows a translucent orange liquid in a clear, covered container. — Figura \(\PageIndex{1}\): Cuando el dicromato de potasio (\(\ce{K_2Cr_2O_7}\)) se mezcla con el agua, forma una solución homogénea de color naranja. (crédito: modificación del trabajo de Mark Ott).

El agua se usa con tanta frecuencia 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 un solvente. Muchas aleaciones son soluciones sólidas de un metal disuelto en otro; por ejemplo, las monedas estadounidenses de cinco centavos contienen el níquel disuelto en el cobre. El aire es una solución gaseosa, una mezcla homogénea de nitrógeno, oxígeno y varios otros gases. El oxígeno (un gas), el alcohol (un líquido) y el azúcar (un sólido) se disuelven en el agua (un líquido) para formar soluciones líquidas. La tabla \(\PageIndex{1}\) da ejemplos de varias soluciones diferentes y las fases de los solutos y los solventes.

Tabla \(\PageIndex{1}\): Diferentes tipos de soluciones
Solución	Soluto	Solvente
aire	O₂(g)	N₂(g)
refresco	CO₂(g)	H₂O(l)
hidrógeno en paladio	H₂(g)	Pd(s)
alcohol desinfectante	H₂O(l)	C₃H₈O(l) (2-propanol)
agua salada	NaCl(s)	H₂O(l)
cobre	Zn(s)	Cu(s)

Las soluciones exhiben estas características definitorias:

Son homogéneos; es decir, después de mezclar una solución, tiene la misma composición en todos los puntos de la solución (su composición es uniforme).
El estado físico de una solución (sólido, líquido o gaseoso) es típicamente el mismo que el del solvente, como lo demuestran los ejemplos en la Tabla \(\PageIndex{1}\).
Los componentes de una solución se dispersan a una escala molecular; es decir, consisten en una mezcla de moléculas separadas, átomos y/o iones.
El soluto disuelto en una solución no se asentará ni se separará del solvente.
La composición de una solución, o las concentraciones de sus componentes, se pueden variar continuamente, dentro de ciertos límites.

La formación de las soluciones

La formación de una solución es un ejemplo de un proceso espontáneo, un proceso que ocurre bajo condiciones específicas sin el requerimiento de energía de alguna fuente externa. Algunas veces removemos una mezcla para acelerar el proceso de disolución, pero esto no es necesario; se formará una solución homogénea si esperamos lo suficiente. El tema de la espontaneidad es de importancia crítica para el estudio de la termodinámica química y se discute en más profundidad en un capítulo posterior de este texto. Para los propósitos de la discusión de este capítulo, será suficiente considerar dos criterios que favorecen, pero no garantizan, la formación espontánea de una solución:

1. una disminución en la energía interna del sistema (un cambio exotérmico, como se discutió en el capítulo anterior sobre la termoquímica)

2. un aumento en el desorden en el sistema (que indica un aumento en la entropía del sistema, como aprenderá en el capítulo posterior sobre la termodinámica)

A veces, pero no siempre, en el proceso de la disolución se produce un cambio de energía interna a medida que el calor se absorbe o evoluciona. Un aumento en el desorden siempre resulta cuando se forma una solución.

Cuando la intensidad de las fuerzas de atracción intermoleculares entre los solutos y los solventes en una solución no son diferentes a las fuerzas de atracción intermoleculares presentes en los componentes separados, la solución se forma sin cambios de energía. Tal solución se llama una solución ideal. Una mezcla de gases ideales (o gases como el helio y el argón, que se acercan mucho al comportamiento ideal) es un ejemplo de una solución ideal, ya que las entidades que comprenden estos gases no experimentan atracciones intermoleculares significativas.

Cuando se conectan contenedores de helio y argón, los gases se mezclan espontáneamente debido a la difusión y forman una solución (Figura \(\PageIndex{2}\)). La formación de esta solución claramente implica un aumento en el desorden, ya que los átomos de helio y argón ocupan un volumen dos veces mayor que el que cada gas ocupaba antes de mezclar.

Two figures are shown. The first contains two spherical containers joined by a closed stopcock. The container to the left is labeled H e. It holds about thirty evenly dispersed, small, light blue spheres. The container on the right is labeled A r and contains about thirty slightly larger blue-green spheres. The second, similar figure has an open stopcock between the two spherical containers. The light blue and green spheres are evenly dispersed and present in both containers. — Figura \(\PageIndex{2}\): Las muestras del helio y el argón se mezclan espontáneamente para dar una solución en la que aumenta el desorden de los átomos de los dos gases.

También se pueden formar soluciones ideales cuando se mezclan líquidos con estructuras similares. Por ejemplo, las mezclas de los alcoholes como el metanol (CH₃OH) y el etanol (C₂H₅OH) forman soluciones ideales, al igual que las mezclas de los hidrocarburos del pentano, \(\ce{C5H12}\) y el hexano, \(\ce{C6H14}\). La colocación del metanol y el etanol, o el pentano y el hexano, en las bombillas que se muestran en la Figura \(\PageIndex{2}\) dará como resultado la misma difusión y posteriormente la mezcla de estos líquidos como se observa para los gases He y Ar (aunque a una tasa mucho más lenta), dando soluciones sin cambios significativos en la energía. Diferente a una mezcla de gases, los componentes de estas soluciones de líquido-líquido experimentan fuerzas de atracción intermoleculares. Pero dado que las moléculas de las dos sustancias que se mezclan son estructuralmente muy similares, las fuerzas de atracción intermoleculares entre moléculas similares y distintas son esencialmente las mismas, y el proceso de la disolución, por lo tanto, no implica ningún aumento o disminución apreciable de energía. Estos ejemplos ilustran cómo la difusión sola puede proporcionar la fuerza impulsora requerida para causar la formación espontánea de una solución. Sin embargo, en algunos casos, las magnitudes relativas de las fuerzas de atracción intermoleculares entre las especies de solutos y solventes pueden evitar la disolución.

The top, central region of the figure shows solute particles as seven blue spheres and solvent particles as 16 red spheres in separate, labeled boxes. The particles in these boxes are touching. An arrow labeled “Step 1” points left of the solute box, and shows the blue spheres no longer touching in another box labeled “expanded solute.” An arrow labeled “Step 2” points right from the solvent box and shows the red spheres no longer touching in another box labeled “expanded solvent.” Arrows proceed from the bottom of the expanded solute and expanded solvent boxes and join at the bottom of the figure where a step 3 label is shown. The joined arrows point to a box just above in which the red and blue spheres are mixed together and touching. The solute and solvent boxes are joined by another arrow labeled “direct formation of solution” which points downward at the center of the figure. This arrow also points to the box containing mixed red and blue spheres near the bottom of the figure. — Figura \(\PageIndex{3}\): Esta representación esquemática de la disolución muestra un proceso por etapas que implica la separación endotérmica de las especies del soluto y el solvente (Pasos 1 y 2) y la solvatación exotérmica (Paso 3).

Tres tipos de fuerzas de atracción intermoleculares son relevantes para el proceso de la disolución: soluto-soluto, solvente-solvente y soluto-solvente. Como se ilustra en la Figura \(\PageIndex{3}\), la formación de una solución se puede ver como un proceso paso a paso en el que la energía se consume para superar las atracciones de soluto-soluto y de solvente-solvente (procesos endotérmicos) y se libera cuando las atracciones de soluto-solvente se establecen (un proceso exotérmico llamado la solvatación). Las magnitudes relativas de los cambios de energía asociados con estos procesos por etapas determinan si el proceso de disolución en general liberará o absorberá la energía. En algunos casos, las soluciones no se forman porque la energía requerida para separar las especies de soluto y solvente es mucho mayor que la energía liberada por la solvatación.

This photo shows an array of colors in an oil water mixture. — Figura \(\PageIndex{4}\): Una mezcla de aceite de cocina no polar y agua polar no produce una solución. (crédito: Gautam Dogra).

Por ejemplo, los aceites de cocina y el agua no se mezclarán de manera apreciable para obtener soluciones (Figura \(\PageIndex{4}\)). El enlace de hidrógeno es la fuerza de atracción intermolecular dominante presente en el agua líquida; las moléculas de hidrocarburos no polares de los aceites de cocina no son capaces de unirse al hidrógeno, sino que se mantienen unidas por las fuerzas de dispersión. La formación de una solución de agua y aceite requeriría superar el enlace fuerte de hidrógeno en el agua, así como las fuerzas de dispersión significativamente fuertes entre las moléculas de aceite relativamente grandes. Y, dado que las moléculas de agua son polares y las moléculas de aceite son no polares no experimentarían una atracción intermolecular muy fuerte, la solvatación liberaría muy poca energía.

Por otro lado, una mezcla del etanol y el agua se mezclará en cualquier proporción para producir una solución. En este caso, ambas sustancias son capaces de unirse con el hidrógeno, por lo que el proceso de solvatación es suficientemente exotérmico para compensar las separaciones endotérmicas de las moléculas del soluto y del solvente.

This figure shows a single use instant cold pack with labels indicating an inner bag of water surrounded by white particulate ammonium nitrate. — Figura \(\PageIndex{5}\): Una compresa fría instantánea se enfría cuando ciertas sales, como el nitrato de amonio, se disuelven en el agua, un proceso endotérmico.

Como se explicó al comienzo de este módulo, los procesos de la disolución exotérmica favorecen, pero no garantizan, la formación de las soluciones espontáneas. Mientras que muchos compuestos solubles, de hecho, se disuelven con la liberación de calor, algunos se disuelven endotérmicamente. El nitrato de amonio (NH₄NO₃) es uno de esos ejemplos y se usa para hacer compresas frías instantáneas para tratar lesiones como la que se muestra en la Figura \(\PageIndex{5}\). Una bolsa plástica de agua de paredes delgadas está sellada 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 de los alrededores (el área lesionada a la que se aplica el paquete) y proporciona una compresa fría que disminuye la hinchazón. Las disoluciones endotérmicas como esta requieren una mayor entrada de energía para separar las especies de solutos que la que se recupera cuando los solutos están solvatados, pero no obstante son espontáneos debido al aumento del desorden que acompaña la formación de la solución.

Video \(\PageIndex{1}\): Mire este breve video que ilustra los procesos de la disolución endotérmica y exotérmica.

Resumen

Se forma una solución cuando dos o más sustancias se combinan físicamente para producir una mezcla que es homogénea a nivel molecular. El solvente es el componente más concentrado y determina el estado físico de la solución. Los solutos son los otros componentes típicamente presentes en concentraciones menores que la del solvente. Las soluciones se pueden formar endotérmicamente o exotérmicamente, dependiendo de las magnitudes relativas de las fuerzas de atracción intermoleculares del soluto y del disolvente. Se forman soluciones ideales sin un cambio apreciable en la energía.

Notas al pie de la página

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

Glosario

aleación: mezcla sólida de un elemento metálico y uno o más elementos adicionales

solución ideal: solución que se forma sin un cambio de energía que lo acompañe

solvatación: proceso exotérmico en el que se establecen fuerzas de atracción intermoleculares entre el soluto y el disolvente en una solución

proceso espontáneo: cambio físico o químico que ocurre sin la adición de energía de una fuente externa

Contribuyentes

Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."
Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.