Soluciones.

 

Indice.

Explicación cinética de la disolución.

Disolvente.

Ley de Henry.

Solubilidad de gases en líquidos.

Solubilidad de sólidos en líquidos.   

Soluciones no saturadas y saturadas.

Soluciones sobresaturadas.

Soluto.

Variación de la solubilidad.

 

Hemos dicho  que todo sistema homogéneo  que  pueda fraccionarse recibe el nombre de solución. Habitualmente se estudian las soluciones liquidas, pero una solución puede también ser solida o gaseosa.

 

Soluciones sólidas.  Si dos metales como el Níquel y e1Cobre, se funden y se mezclan,  dejando luego enfriar el sistema hasta que solidifique, el producto resultante es una aleación Cu-Ni. Si esta aleación se observa al microscopio, o se estudian sus propiedades intensivas en distintos puntos, deberá clasificarse como sistema homogéneo.  Es decir entonces que algunas aleaciones son casos de soluciones sólidas.  

Soluciones gaseosas.  La mezcla de gases diferentes en un mismo sistema, constituye habitualmente una solución gaseosa. El aire es un sistema de este tipo, el oxígeno y el nitrógeno existen en el aire como componentes principales, acompañados de pequeñas cantidades de dióxido de carbono, vapor de agua y gases raros.  Si el aire se licua por sucesivas compresiones y enfriamientos, es posible luego,  calentando el aire líquido,  realizar una destilación del mismo y separar el nitrógeno y el oxígeno.

Soluciones liquidas. Las soluciones líquidas constituyen el caso más común y serán objeto de un estudio más detallado.  Nos limitaremos al caso de soluciones binarias  es decir constituidas por un par de sustancias. En general se dice que una solución binaria está constituida por un soluto y un disolvente.                                                           

No es fácil definir ambos términos.  Diremos que,  en general,  se considera disolvente  a la sustancia liquida que entra en la constitución del sistema,  aun  cuando  no sea la que se encuentra en mayor proporción.  En tanto que se llama soluto  a la sustancia que entra en constitución del sistema, pudiendo ser su estado anterior sólido,  líquido o gaseoso. Es decir,  el  disolvente  es  el  medio  continuo  dispersante del  soluto.  En el caso  particular de coexistencia en una sola fase de dos líquidos cualquiera de ellos puede ser considerado el disolvente.  Por convención,  en estos casos,  se considera disolvente al que se encuentra en mayor proporción en el sistema.

Soluciones no saturadas y saturadas.

Supongamos que en una determinada cantidad de disolvente, que se encuentra a una temperatura determinada y comienza a agregarse un soluto.  Por ejemplo; en un vaso de precipitados, se colocan 100 cm3 de agua a 25°C de temperatura y se agrega una pequeña cantidad de azúcar y se agita y se observa que el azúcar desaparece en el seno del agua. Decimos que el azúcar se ha disuelto en el agua. Si se agregan posteriores cantidades de azúcar y se agita, el azúcar seguirá disolviéndose.

Llegará un momento, en el cual, la cantidad de azúcar que se agregue o parte de esa cantidad, quedara sin disolverse a esa temperatura,  Se constituye así, un sistema heterogéneo formado por una fase liquida que es  una solución y por una fase sólida que  es soluto en exceso, sin disolver, en el siguiente dibujo se representa el caso en que queda en la solución un soluto en exceso,

La composición de este sistema, no variara, a lo largo del tiempo  siempre que la temperatura no varié y que se impida la evaporación del disolvente. Sin embargo si de alguna forma fuera posible marcar las moléculas que constituyen el sólido en exceso y las moléculas del solido que se han incorporado a la solución, podría comprobarse que continuamente se producen dos fenómenos inversos. El sólido en exceso pasa sin cesar a constituir parte de la fase sólida. Ambos procesos se producen con velocidades idénticas en valor absoluto esto tiene como consecuencia, que la masa total en exceso no varía tampoco al transcurrir el tiempo. El sistema se encuentra en equilibrio estable porque la composición de sus fases no varía en función del tiempo, dicho equilibrio estable es a su vez dinámico porque se producen transformaciones inversas con igual velocidad, el siguiente dibujo es una representación de este equilibrio,

Decimos que la solución se encuentra saturada, se define  a la solución saturada como la  solución  que esta o  puede estar,  en equilibrio  estable  dinámico  con  el  soluto  en  exceso.

Es evidente que si la solución se filtra, para eliminar la fase sólida, la composición de la fase liquida no varía.  Por lo tanto,  si la temperatura sigue siendo la misma, la solución sigue siendo una solución saturada, aunque no está en presencia de soluto sin disolver.

Si se vuelve a agregar soluto so1ido,  se verifica nuevamente el equilibrio dinámico. Las soluciones que contienen a la misma temperatura y en la misma cantidad de solvente, menor cantidad de soluto que la solución saturada;  reciben el nombre de  soluciones no saturadas. La composición de una solución se expresa con el valor conocido como concentración, dar la concentración de una solución,  es dar su composición relacionando por ejemplo la masa de soluto presente por cada litro de disolvente. Por lo tanto, diremos que una  solución  es  no  saturada cuando su concentración es menor que la de la solución saturada a la misma temperatura

Cada disolvente tiene una determinada capacidad para disolver a  un soluto. O lo que es lo mismo un soluto puede ser soluble en un disolvente e insoluble en otros; a su vez 1a cantidad de un soluto necesaria para saturar 100 cm3 de agua puede ser diferente a la cantidad de  soluto capaz de saturar 100 cm3 de acetona. Esta capacidad mutua para cada par soluto-disolvente se expresa con la llamada solubilidad. La  solubilidad  de  un  soluto  en un  disolvente  a  una determinada  temperatura, es la  concentración  de  la solución  saturada  a  esa  temperatura. 

Variación de la solubilidad.

La solubilidad de un soluto en un disolvente depende de la naturaleza de ambas sustancias.

A Solubilidad de sólidos en líquidos.  

La solubilidad de un sólido en un líquido varia para cada  par soluto-disolvente en función de la temperatura. Hay solutos como el sulfato de sodio decahidratado, (SO4Na2 . 10 H2O), cuya solubilidad aumenta con la temperatura. Esto quiere decir que la cantidad soluto que  satura 100 cm3 de agua a 25°C es menor que la cantidad soluto que satura 100 cm3 de aqua a 50°C. O sea a mayor temperatura mayor solubilidad. 

  Si se representan los datos de solubilidades y temperaturas,  se obtiene una gráfica con una curva, como la  (1) del gráfico adjunto. En otros casos, la solubilidad permanece prácticamente constante al variar la temperatura en más o en menos.  Esto sucede por ejemplo para el par cloruro de sodio-agua, ver curva (2), Por ultimo diremos que hay sustancias cuya solubilidad disminuye en función de la temperatura, como el caso del sulfato de cerio, representada en la curva (3).

En el siguiente experimento, los cristales de permanganato de potasio se añaden a dos tubos graduados, uno que contiene agua fría, a la izquierda y el otro que contiene agua caliente. Se observan enormes diferencias en la tasa y las pautas de la disolución.

 

B Solubilidad de gases en líquidos.

En los casos en que la solución es tal, que el disolvente es un líquido que contiene un soluto cuyo estado anterior de agregación fue gaseoso, hay dos factores que influyen en la variación de la solubilidad. En primer lugar consideremos la temperatura.                   

EI agua tiene la capacidad de disolver el oxígeno del aire; o sea que una muestra de agua cualquiera, habitualmente contiene oxígeno disuelto. Cuando una muestra de agua se calienta, puede observarse que contra las paredes del recipiente se forman pequeñas burbujas que se van desprendiendo del sistema.  Esto sucede mucho antes de llegar a la temperatura de ebullición.  Si esas burbujas se recogieran, podría comprobarse que no son otra cosa que oxígeno que se desprende. Quiere decir  que la solubilidad del oxígeno en el agua  disminuye al aumentar la temperatura. E n  general  la solubilidad de los gases en los líquidos, es  menor  cuanto  mayor  es  la  temperatura.

El otro factor que influye en la variación de la solubilidad de gases en líquidos, es la presión exterior. Tomaremos para ser gráficos un ejemplo de la vida diaria. Las bebidas gaseosas sin alcohol, se envasan inyectando dióxido de carbono a presión superior a la atmosférica dentro de la botella.

Si una botella cerrada de cualquiera de estas bebidas se deja en reposo, no se observan en el seno del líquido burbujas de gas. Al destapar la botella, el interior de la misma se pone en contacto con la atmosfera y la presión disminuye instantáneamente.  En ese momento se observa un desprendimiento de burbujas de gas.  Es decir, la solubilidad del gas en el líquido disminuye cuando disminuye la presión. En general la solubilidad  de un gas en  un líquido   es  mayor cuanto mayor  es  la  presión  que  se  ejerce  sobre  el  sistema.                       

La forma en que varía la solubilidad de gases en líquidos es estudia  por la ley de Henry que dice que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a su presión parcial.

Matemáticamente se expresa:

S = k .p

donde S : solubilidad del gas en el liquido

p : presion parcial del gas

k : constante de proporcionalidad

 

Soluciones sobresaturadas.

El fenómeno de la sobresaturación es una consecuencia de la variación de la solubilidad de las sustancias y se produce en algunos casos de pares soluto-disolvente. Si se llega pasta la obtención de una solución saturada de un sólido en un líquido a una determinada temperatura, hemos dicho que el sistema se encontrará en equilibrio estable y dinámico con el soluto en exceso.  Pero ese soluto en exceso puede llegar a incorporarse a la solución variando la temperatura.

Supongamos la siguiente experiencia: primero se obtiene una solución saturada de nitrato de sodio a 25°C de temperatura,

Se calienta el sistema sobrepasando la temperatura a la que todo el soluto se ha disuelto.

 

 

III Se enfría el sistema y se comprueba que llegamos al estado inicial en el cual a la misma temperatura el sistema tiene la misma composición. Este es el comportamiento normal de la mayoría de los pares soluto-disolvente cuando la solubilidad aumenta en función de la temperatura. Es decir al variar la temperatura, se recorre la curve de solubilidad pasando por una serie de soluciones saturadas.

Si en el estado II no hay soluto presente y se sigue calentando, la solución no está saturada.

Al enfriar el sistema, se recorre el camino inverso y al 1legar a la temperatura de saturación, aparece el primer cristal y luego el sólido sigue abandonando la solución, pasando nuevamente por una serie de estados de saturación para cada temperatura.  A la temperatura inicial, el sistema tiene la misma concentración que a la temperatura final si ambas temperaturas son iguales y si la cantidad de disolvente no ha variado.

 

 

Pero hay pares soluto-disolvente que no se comportan de esta manera.

Supongamos ahora la siguiente experiencia:

I - Se prepare una solución saturada de sulfato de sodio decahidratado a 25°C.

II - Se calienta el sistema sobrepasando la temperatura a la que todo el soluto en exceso se ha disuelto.

III - Se tapa el recipiente y se deja enfriar lentamente sin agitar.  Se observa que no hay aparición de soluto.  Es decir que a la misma temperatura inicial, el sistema no tiene la misma composición.  Su concentración es mayor que la que corresponde  a  la  solución saturada  a la misma temperatura.  Esta solución está en equilibrio; pero si se agita el recipiente, pasara bruscamente al estado I . Es decir todo el sólido en exceso con respecto a la concentración de saturación, precipita rápidamente. Se dice que una solución esta sobresaturada,  cuando  se  encuentra  en  equilibrio  metaestable (con varios estados de equilibrio)  y  su  concentración  es mayor  que  la  que  corresponde  a  la  solución  saturada  a  la misma  temperatura.

El siguiente dibujo nos muestra los pasos realizados para llegar a una solución sobresaturada,

Explicación cinética de la disolución.

Cuando un sólido es puesto en presencia de un líquido, es posible que se produzca el fenómeno de disolución. Desde el punto de vista de la teoría cinética, la disolución es posible cuando la atracción que existe entre las moléculas que constituyen el sólido, es comparable a la atracción que se produce entre las moléculas del disolvente y las del sólido.

En estas condiciones,  las moléculas del sólido son arrastradas hacia el disolvente. Dispersas en el disolvente, las moléculas que constituían el sólido tienen libertad de movimiento y puede decirse que ocupan uniformemente el volumen de la solución.  Por ello, las propiedades intensivas de las soluciones son las mismas en todos los pantos de la solución.

Cuando se llega a obtener una solución saturada, el número de moléculas que escapan de la superficie del solido hacia la solución, es igual al número de moléculas que chocando sobre la superficie del sólido, se incorporan a él. Esta es la explicación desde el punto de vista cinético del equilibrio dinámico que caracteriza al estado de saturación.

                       

 

Eduardo Ghershman, 25.9.2013

          

eXTReMe Tracker