Disoluciones químicas: concentración, solubilidad y propiedades coligativas

Disoluciones

Disolución: es una mezcla homogénea de sustancias puras en la que las partículas del disolutivo (iones, moléculas aisladas o agrupaciones de pequeño tamaño que no sedimentan ni se separan por centrifugación) se encuentran dispersas. Las disoluciones pueden ser gaseosas, líquidas o sólidas.

Proceso de disolución: consiste en mezclar soluto con disolvente. En un líquido, el sólido se disuelve cuando las partículas del disolvente rompen las fuerzas que mantienen unidas las partículas del soluto. Las partículas de soluto abandonan su posición fija en la estructura y se incorporan a la disolución. Si el disolvente es agua, el proceso se llama hidratación; si es otro disolvente, se denomina solvatación. Si el soluto es líquido o gas, se establece una interacción similar a la del soluto sólido, pero de menor intensidad.

Factores que favorecen la disolución de un soluto sólido

• Pulverizar: al pulverizar el soluto aumenta su área superficial, lo que incrementa el número de iones o moléculas expuestos al disolvente. Así, las colisiones aumentan y el soluto se disuelve antes.
• Agitar: la agitación evita que se acumule alrededor del cristal de soluto una disolución saturada, facilitando que el disolvente siga actuando.
• Calentar: al calentar aumenta la agitación de las moléculas, lo que favorece la destrucción de la estructura cristalina del soluto.

Concentración de las disoluciones

La concentración es la cantidad de soluto disuelto en una cantidad de disolvente o de disolución. Las disoluciones pueden ser saturadas, concentradas o diluidas; estos términos son aproximaciones cualitativas de la concentración.

Unidades físicas

• % masa: (masa de soluto / masa de disolución) x 100.
• % volumen: (volumen de soluto / volumen de disolución) x 100.
• Masa/volumen: masa de soluto / volumen de disolución.

Unidades químicas

Molaridad (M): indica la cantidad de moles de soluto en 1 L de disolución.

M = n_s (mol) / V (L) = mol/L

Molalidad (m): indica la cantidad de moles de soluto por cada kilogramo de disolvente.

m = n_s (mol) / masa de disolvente (kg) = mol/kg

Fracciones molares: indican la cantidad en moles de un componente en relación con la cantidad total (suma de los moles de todos los componentes).

X_s = moles de soluto / (moles de soluto + moles de disolvente) = n_s / (n_s + n_d)

X_d = moles de disolvente / (moles de soluto + moles de disolvente) = n_d / (n_s + n_d)

Solubilidad

Solubilidad: es la concentración del soluto en una disolución saturada, determinada a una temperatura y para un disolvente concreto (por ejemplo, g de soluto por 100 g de disolvente o por 1 L de disolvente).

Variación de la solubilidad con la temperatura

En los sólidos, la disolución suele ser un proceso endotérmico: al aumentar la temperatura, aumenta la solubilidad, y al enfriar, disminuye. En los líquidos y gases, la solubilidad disminuye al aumentar la temperatura.

Sobresaturación

Una disolución está sobresaturada cuando, a una temperatura determinada, contiene disuelta una cantidad de soluto superior a la que corresponde a su solubilidad a esa temperatura. Se consigue saturando una disolución a temperatura alta y dejándola enfriar lentamente. Estas disoluciones son inestables: al agitarlas o añadir un cristal, el exceso de soluto se separa bruscamente en forma sólida y provoca la precipitación.

Variación de la solubilidad con la presión

La presión influye en la solubilidad de los solutos gaseosos. La solubilidad de un gas en un líquido aumenta al incrementarse la presión sobre el líquido.

Propiedades coligativas de las disoluciones

Son cuatro propiedades que dependen de la concentración del soluto, pero no de su naturaleza.

Presión de vapor

Cuando un soluto no volátil se disuelve en un disolvente, disminuye la presión de vapor. François-Marie Raoult enunció la ley de Raoult: ΔP = P⁰ - P' = P⁰ X_s, donde P⁰ es la presión de vapor del disolvente puro, P' la presión de vapor de la disolución y X_s la fracción molar del soluto.

Punto de congelación

El punto de congelación de la disolución es inferior al del disolvente puro. Al añadir un soluto no volátil, disminuye la temperatura de congelación, proporcionalmente a la molalidad (m): ΔT_c = K_c m, donde K_c es la constante crioscópica molal.

Punto de ebullición

El punto de ebullición de la disolución es superior al del disolvente puro. Al añadir un soluto no volátil, aumenta la temperatura de ebullición (ebulloscopia): ΔT_e = K_e m.

Ósmosis

Al enfrentar dos disoluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable, el disolvente pasa de la disolución menos concentrada a la más concentrada, hasta que ambas se equilibran. La presión osmótica (π) es la presión que hay que ejercer sobre la disolución más concentrada para impedir este proceso.

Presión osmótica y masa molar

En 1885, Jacobus Henricus van't Hoff observó que la presión osmótica de las disoluciones diluidas se comporta de la misma manera que la presión de los gases ideales y obedece a la ecuación πV = nRT. Como n/V es la molaridad, π = MRT. Las disoluciones que presentan la misma presión osmótica en las mismas condiciones se denominan isotónicas. Esta propiedad es la más fácil de medir para determinar con precisión la masa molar de un soluto.