6.1: ¿Qué es una solución?

El primer tipo de sistema complejo que consideraremos es una solución. Es casi seguro que ya tienes algunas ideas sobre lo que es una solución y tal vez quieras tomarte un momento para pensar en cuáles son estas. Esto te ayudará a reconocer tus suposiciones implícitas si se “interponen” en el camino de entender lo que es una solución científicamente. La mayor diferencia entre una solución y los sistemas que hemos discutido anteriormente es que las soluciones tienen más de una sustancia química en ellas. Esto plantea la pregunta: ¿qué es exactamente una solución y qué significa disolverse? Probablemente estés pensando en ejemplos como el azúcar o la sal disuelta en agua o soda. ¿Qué pasa con la leche? ¿Es una solución? ¿Las soluciones tienen que ser líquidas o también pueden incluir gases y sólidos? ¿Cuál es la diferencia entre una solución y una mezcla?

Resulta que podemos hacer soluciones a partir de una amplia gama de materiales. Si bien es común pensar en soluciones en términos de un sólido disuelto en un líquido, este no es el único tipo de solución. Otros ejemplos de soluciones incluyen: gas en líquido (donde el oxígeno molecular, o\(\mathrm{O}_{2}\), se disuelve en agua, importante para los peces); sólido en sólido (la aleación de latón es una solución de cobre y zinc); gas en sólido (el hidrógeno puede disolverse en el metal paladio); y líquido en líquido (la cerveza es una solución de etanol y agua y algunas otras cosas).

Echemos un vistazo más de cerca a lo que entendemos por una solución, empezando por un sistema de dos componentes. Típicamente, uno de los componentes está presente en una cantidad menor que el otro. Llamamos al componente principal el solvente y el componente (s) menor (s) el (los) soluto (s). Las soluciones más familiares son las soluciones acuosas, en las que el agua es el disolvente. Por ejemplo, en una solución del azúcar glucosa en agua, las moléculas de glucosa son el soluto y las moléculas de agua son el disolvente. En la cerveza, que es típicamente 2-4% de etanol, el etanol es el soluto primario y el agua es el solvente. Una vez que se mezclan a fondo, las soluciones tienen la misma composición en todo el mundo, son homogéneas a escala macroscópica, aunque a nivel molecular todavía encontramos diferentes tipos de moléculas o iones. Este es un punto importante: ¡Una vez mezclados, permanecen mezclados! Si toma una muestra de la parte superior de una solución, tiene la misma composición que una muestra de otra parte de la solución. Las soluciones, cuando se ven a nivel molecular, tienen las partículas de soluto dispersas uniformemente (y aleatoriamente) en el soluto. Además, debido a que el soluto y el disolvente están en contacto entre sí, debe haber algún tipo de interacción molecular entre los dos tipos de moléculas. Esto no es cierto para mezclas simples. Por ejemplo, tendemos a describir el aire como una mezcla de gases (\(\mathrm{N}_{2}\),\(\mathrm{O}_{2}\),\(\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\), etc.), en lugar de una solución porque las moléculas de gas no interactúan aparte de la colisión ocasional entre sí.

Formación Molecular de Soluciones

Consideremos una solución de etanol y agua. Muchas soluciones comunes contienen estos dos componentes (generalmente con cantidades menores de otras sustancias también). El etanol y el agua son solubles entre sí (lo que se conoce como “miscible”) en todas las proporciones. Por ejemplo, la cerveza es típicamente sobre\(3 \%\) alcohol (\(6 \%\)prueba), ^[1] vino sobre\(6 \%\) alcohol (\(12 \%\)prueba), y licores como whisky o brandy son sobre\(50 \%\) alcohol (\(100 \%\)prueba). ¿Cómo se disuelven entre sí a nivel molecular y por qué?

Para que un proceso sea termodinámicamente favorable, el cambio de energía (libre) de Gibbs (\(\Delta \mathrm{G}\)) asociado a ese proceso debe ser negativo. Sin embargo, hemos aprendido que el cambio de energía de Gibbs depende tanto de los cambios de entalpía (\(\mathrm{H}\)) como de entropía (\(\mathrm{H}\)) en el sistema. Es posible visualizar una amplia gama de situaciones —que implican cambios tanto positivos como negativos en\(\mathrm{H}\) y\(\mathrm{S}\), y tenemos que considerar las magnitudes de la entalpía, la entropía y los cambios de temperatura.

Entonces, ¿qué sucede cuando agregamos una gota de etanol a un volumen de agua? Las moléculas de etanol se dispersan rápidamente y la solución se vuelve homogénea. La entropía de la solución etanol—agua es mayor que la de cualquiera de las sustancias por sí sola. En otras palabras, hay arreglos más distinguibles de las moléculas cuando se mezclan que cuando están separadas. Usando simples argumentos entrópicos podríamos, al menos inicialmente, extender la idea para incluir todas las soluciones. Todo debería ser soluble en todo lo demás, porque esto aumentaría a una entropía, ¿verdad? Mal. Sabemos que esto no es cierto. Por ejemplo, el petróleo no es soluble en agua y tampoco lo son los diamantes, aunque por razones muy distintas. Entonces, ¿cuáles son los factores que influyen en la formación de soluciones? Veremos que algunos son entrópicos (implicando\(\Delta \mathrm{S}\)) y otros entálpicos (implicando\(\Delta \mathrm{H}\).)

Preguntas

Preguntas para responder

• Haz una lista de algunas soluciones comunes que podrías encontrar en la vida cotidiana. ¿Cómo sabes que son soluciones y no mezclas?
• Considere una solución formada a partir\(100 \mathrm{~g}\) de agua y cloruro de\(5 \mathrm{~g}\) sodio:
  • ¿Cuál esperarías que fuera la masa de la solución? ¿Por qué?
  • ¿Cuál esperarías que fuera el volumen de la solución? ¿Por qué?
  • ¿Cómo pondrías a prueba tus hipótesis? ¿Qué experimentos harías?
  • ¿Qué pruebas recogerías?