9.8: Iones en Solución - Electrolitos

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Objetivos de aprendizaje

Defina los solutos como electrolitos fuertes, electrolitos débiles o no electrolitos.
Calcular equivalentes para un soluto iónico.

Cuando algunas sustancias se disuelven en agua, sufren ya sea un cambio físico o químico que produce iones en solución. Estas sustancias constituyen una importante clase de compuestos llamados electrolitos. Las sustancias que no producen iones cuando se disuelven se denominan no electrolitos. Si el proceso físico o químico que genera los iones es esencialmente 100% eficiente (todo el compuesto disuelto produce iones), entonces la sustancia se conoce como un electrolito fuerte. Si solo una fracción relativamente pequeña de la sustancia disuelta se somete al proceso de producción de iones, se le llama electrolito débil.

Las sustancias pueden identificarse como fuertes, débiles o no electrolitos midiendo la conductancia eléctrica de una solución acuosa que contiene la sustancia. Para conducir la electricidad, una sustancia debe contener especies cargadas libremente móviles. Lo más familiar es la conducción de electricidad a través de cables metálicos, en cuyo caso las entidades móviles cargadas son electrones. Las soluciones también pueden conducir electricidad si contienen iones disueltos, aumentando la conductividad a medida que aumenta la concentración de iones. Aplicar una tensión a electrodos sumergidos en una solución permite evaluar la concentración relativa de iones disueltos, ya sea cuantitativamente, midiendo el flujo de corriente eléctrica, o cualitativamente, observando el brillo de una bombilla incluida en el circuito (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Este diagrama muestra tres vasos separados. Cada uno tiene un cable enchufado a una toma de corriente. En cada caso, el cable conduce desde la pared hasta el vaso de precipitados y se divide dando como resultado dos extremos. Un extremo conduce a una bombilla y continúa hacia un rectángulo etiquetado con un signo más. El otro extremo conduce a un rectángulo etiquetado con un signo menos. Los rectángulos están en solución. En el primer vaso de precipitados, etiquetado como “Etanol Sin Conductividad”, cuatro pares de pequeñas esferas verdes unidas suspendidas en la solución entre los rectángulos. En el segundo vaso de precipitados, etiquetado como “K C l Conductividad Fuerte”, seis esferas verdes individuales, tres marcadas más y tres marcadas menos se suspenden en la solución. Cada una de las seis esferas tiene una flecha que se extiende desde ella apuntando al rectángulo etiquetado con el signo opuesto. En el tercer vaso de precipitados, etiquetado como “Solución de ácido acético Conductividad débil”, se muestran dos pares de esferas verdes unidas y dos esferas individuales, una marcada más y otra marcada menos suspendidas entre los dos rectángulos. La esfera etiquetada con signo más tiene una flecha que apunta al rectángulo etiquetado como menos y la esfera etiquetada con menos tiene una flecha que apunta al rectángulo etiquetado con más. — Figura\(\PageIndex{1}\): Las soluciones de no electrolitos como el etanol no contienen iones disueltos y no pueden conducir electricidad. Las soluciones de electrolitos contienen iones que permiten el paso de la electricidad. La conductividad de una solución electrolítica está relacionada con la resistencia del electrolito.

Electrolitos Iónicos

El agua y otras moléculas polares son atraídas por los iones, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La atracción electrostática entre un ion y una molécula con un dipolo se denomina atracción ión-dipolo. Estas atracciones juegan un papel importante en la disolución de compuestos iónicos en el agua.

El diagrama muestra ocho esferas moradas etiquetadas K superíndice más y ocho esferas verdes etiquetadas C l superíndice menos mezcladas y tocando cerca del centro del diagrama. Fuera de este cúmulo de esferas se encuentran diecisiete cúmulos de tres esferas, que incluyen una esfera roja y dos blancas. Una esfera roja en uno de estos racimos está etiquetada como O. Una esfera blanca está etiquetada H. Dos de las esferas verdes C l superíndice menos están rodeadas por tres de los racimos rojo y blanco, con las esferas rojas más cercanas a las esferas verdes que las blancas. Uno de los superíndices K más esferas moradas está rodeado por cuatro de los racimos rojo y blanco. Las esferas blancas de estos racimos son las más cercanas a las esferas moradas. — Figura\(\PageIndex{2}\): A medida que el cloruro de potasio (KCl) se disuelve en agua, los iones se hidratan. Las moléculas polares de agua son atraídas por las cargas en los iones K ⁺ y Cl ⁻. No se muestran las moléculas de agua delante y detrás de los iones.

Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, los iones del sólido se separan y se dispersan uniformemente por toda la solución debido a que las moléculas de agua rodean y solvatan los iones, reduciendo las fuertes fuerzas electrostáticas entre ellos. Este proceso representa un cambio físico conocido como disociación. En la mayoría de las condiciones, los compuestos iónicos se disociarán casi por completo cuando se disuelven, por lo que se clasifican como electrolitos fuertes.

Consideremos qué sucede a nivel microscópico cuando agregamos KCl sólido al agua. Las fuerzas ión-dipolo atraen el extremo positivo (hidrógeno) de las moléculas polares de agua a los iones cloruro negativos en la superficie del sólido, y atraen los extremos negativos (oxígeno) a los iones de potasio positivos. Las moléculas de agua penetran entre los iones K ⁺ y Cl ⁻ individuales y los rodean, reduciendo las fuertes fuerzas interiónicas que unen los iones entre sí y dejándolos pasar a la solución como iones solvatados, como muestra la Figura. La reducción de la atracción electrostática permite el movimiento independiente de cada ion hidratado en una solución diluida, resultando en un aumento en el desorden del sistema a medida que los iones cambian de sus posiciones fijas y ordenadas en el cristal a estados móviles y mucho más desordenados en solución. Este trastorno incrementado es responsable de la disolución de muchos compuestos iónicos, entre ellos KCl, que se disuelven con la absorción de calor.

En otros casos, las atracciones electrostáticas entre los iones en un cristal son tan grandes, o las fuerzas de atracción ión-dipolo entre los iones y las moléculas de agua son tan débiles, que el aumento del desorden no puede compensar la energía requerida para separar los iones, y el cristal es insoluble. Tal es el caso de compuestos como el carbonato de calcio (piedra caliza), el fosfato de calcio (el componente inorgánico del hueso) y el óxido de hierro (óxido).

Electrolitos covalentes

El agua pura es un conductor extremadamente pobre de la electricidad porque solo está muy ligeramente ionizada, solo alrededor de dos de cada mil millones de moléculas ionizan a 25 °C. El agua se ioniza cuando una molécula de agua cede un protón a otra molécula de agua, produciendo iones hidronio e hidróxido.

\[\ce{H_2O (l)+ H_2O (l) \rightleftharpoons H_3O^{+} (aq) + OH^{−} (aq)} \label{11.3.2}\]

En algunos casos, encontramos que las soluciones preparadas a partir de compuestos covalentes conducen electricidad porque las moléculas de soluto reaccionan químicamente con el disolvente para producir iones. Por ejemplo, el cloruro de hidrógeno puro es un gas que consiste en moléculas covalentes de HCl. Este gas no contiene iones. Sin embargo, cuando disolvemos el cloruro de hidrógeno en agua, encontramos que la solución es un muy buen conductor. Las moléculas de agua juegan un papel esencial en la formación de iones: Las soluciones de cloruro de hidrógeno en muchos otros solventes, como el benceno, no conducen electricidad y no contienen iones.

El cloruro de hidrógeno es un ácido, por lo que sus moléculas reaccionan con el agua, transfiriendo iones H ⁺ para formar iones hidronio (\(H_3O^+\)) e iones cloruro (Cl ⁻):

Esta reacción es esencialmente 100% completa para HCl (es decir, es un ácido fuerte y, en consecuencia, un electrolito fuerte). Asimismo, los ácidos y bases débiles que solo reaccionan parcialmente generan concentraciones relativamente bajas de iones cuando se disuelven en agua y se clasifican como electrolitos débiles. Ácidos y bases serán explorados más a fondo en un capítulo posterior.

Equivalentes

Las concentraciones de solutos iónicos se expresan ocasionalmente en unidades llamadas equivalentes (Eq). Un equivalente equivale a 1 mol de carga positiva o negativa. Así, 1 mol/L de Na ⁺ (aq) también es de 1 Eq/L debido a que el sodio tiene una carga 1+. Una solución de 1 mol/L de iones Ca ² ⁺ (aq) tiene una concentración de 2 Eq/L debido a que el calcio tiene una carga 2+. Las soluciones diluidas pueden expresarse en miliequivalentes (mEq), por ejemplo, el plasma sanguíneo humano tiene una concentración total de aproximadamente 150 mEq/l.