Solución (química)

En química , una solución es un tipo especial de mezcla homogénea compuesta por dos o más sustancias. En dicha mezcla , un soluto es una sustancia disuelta en otra sustancia, conocida como disolvente . Si las fuerzas de atracción entre las partículas de disolvente y soluto son mayores que las fuerzas de atracción que mantienen unidas las partículas de soluto, las partículas de disolvente separan las partículas de soluto y las rodean. Estas partículas de soluto rodeadas se alejan del soluto sólido y salen a la solución. El proceso de mezcla de una solución ocurre a una escala donde intervienen los efectos de la polaridad química , lo que da como resultado interacciones que son específicas de la solvatación . La solución suele tener el estado del disolvente cuando el disolvente es la fracción más grande de la mezcla, como suele ser el caso. Un parámetro importante de una solución es la concentración , que es una medida de la cantidad de soluto en una cantidad dada de solución o disolvente. El término " solución acuosa " se utiliza cuando uno de los disolventes es agua . ^[1]

• Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias.
• Las partículas de soluto en una solución no se pueden ver a simple vista . Por el contrario, las partículas pueden ser visibles en una suspensión .
• Una solución no hace que los rayos de luz se dispersen . Por el contrario, las partículas en una suspensión o coloide pueden causar dispersión de Tyndall o dispersión de Rayleigh .
• Una solución es estable y los solutos no precipitarán a menos que se agreguen en exceso de la solubilidad de la mezcla , en cuyo caso el exceso permanecería en su fase sólida. Una solución que contiene más solutos disueltos que en el equilibrio se denomina sobresaturada .
• Los solutos y disolventes de una solución no se pueden separar mediante filtración (o mecánicamente).
• Se compone de una sola fase .

Homogéneo significa que los componentes de la mezcla forman una sola fase. Heterogéneo significa que los componentes de la mezcla son de diferente fase. Las propiedades de la mezcla (como concentración, temperatura y densidad) pueden distribuirse uniformemente a través del volumen, pero solo en ausencia de fenómenos de difusión o después de que se completen. Por lo general, la sustancia presente en mayor cantidad se considera el disolvente. Los disolventes pueden ser gases, líquidos o sólidos. Uno o más componentes presentes en la solución además del disolvente se denominan solutos. La solución tiene el mismo estado físico que el disolvente.

Si el disolvente es un gas , sólo los gases (no condensables) o los vapores (condensables) se disuelven en un conjunto dado de condiciones. Un ejemplo de una solución gaseosa es el aire (oxígeno y otros gases disueltos en nitrógeno). Dado que las interacciones entre moléculas gaseosas casi no juegan ningún papel, los gases no condensables forman soluciones más bien triviales. En la literatura, ni siquiera se clasifican como soluciones, sino que simplemente se abordan como mezclas homogéneas de gases. El movimiento browniano y la agitación molecular permanente de las moléculas de gas garantizan la homogeneidad de los sistemas gaseosos. Las mezclas gaseosas no condensables (por ejemplo, aire/CO ₂ o aire/xenón) no se desmezclan espontáneamente, ni sedimentan, como capas de gas claramente estratificadas y separadas en función de su densidad relativa . Las fuerzas de difusión contrarrestan eficazmente las fuerzas gravitacionales en las condiciones normales que prevalecen en la Tierra. El caso de los vapores condensables es diferente: una vez que se alcanza la presión de vapor de saturación a una temperatura dada, el exceso de vapor se condensa al estado líquido .

Si el disolvente es un líquido , entonces se pueden disolver casi todos los gases, líquidos y sólidos. A continuación se muestran algunos ejemplos:

• Gas en líquido:
  • Oxígeno en el agua
  • El dióxido de carbono en el agua es un ejemplo menos sencillo, ya que la disolución va acompañada de una reacción química (formación de iones). Las burbujas visibles en el agua carbonatada no son el gas disuelto, sino solo una efervescencia del dióxido de carbono que ha surgido de la disolución; el gas disuelto en sí no es visible, ya que está disuelto a nivel molecular.
• Líquido en líquido:
  • Mezcla de dos o más sustancias de la misma composición química pero en concentraciones diferentes para formar una constante. (Homogeneización de soluciones)
  • Las bebidas alcohólicas son básicamente soluciones de etanol en agua.
• Sólido en líquido:
  • Sacarosa ( azúcar de mesa ) en agua
  • Cloruro de sodio (NaCl) ( sal de mesa ) o cualquier otra sal en agua, que forma un electrolito : al disolverse, la sal se disocia en iones .
• Las soluciones en agua son especialmente comunes y se denominan soluciones acuosas .
• Las soluciones no acuosas son aquellas en las que el disolvente líquido involucrado no es agua. ^[1]

Los contraejemplos los proporcionan las mezclas líquidas que no son homogéneas : coloides , suspensiones y emulsiones no se consideran soluciones.

Los líquidos corporales son ejemplos de soluciones líquidas complejas que contienen muchos solutos. Muchos de ellos son electrolitos, ya que contienen iones de soluto, como el potasio . Además, contienen moléculas de soluto como el azúcar y la urea . El oxígeno y el dióxido de carbono también son componentes esenciales de la química sanguínea , donde los cambios significativos en sus concentraciones pueden ser un signo de enfermedad o lesión grave.

Si el disolvente es un sólido , entonces se pueden disolver gases, líquidos y sólidos.

• Gas en sólidos:
  • El hidrógeno se disuelve bastante bien en los metales, especialmente en el paladio ; éste se estudia como medio de almacenamiento de hidrógeno .
• Líquido en sólido:
  • Mercurio en oro , formando una amalgama
  • Agua en sal sólida o azúcar , formando sólidos húmedos.
  • Hexano en cera de parafina
  • Polímeros que contienen plastificantes como ftalato (líquido) en PVC (sólido)
• Sólido en sólido:
  • Acero , básicamente una solución de átomos de carbono en una matriz cristalina de átomos de hierro ^{[ aclaración necesaria ]}
  • Aleaciones como el bronce y muchas otras
  • Sulfato de radio disuelto en sulfato de bario : una verdadera solución sólida de Ra en BaSO ₄

La capacidad de un compuesto de disolverse en otro compuesto se denomina solubilidad . ^{[ Aclaración necesaria ]} Cuando un líquido puede disolverse completamente en otro líquido, los dos líquidos son miscibles . Dos sustancias que nunca pueden mezclarse para formar una solución se denominan inmiscibles .

Todas las soluciones tienen una entropía de mezcla positiva . Las interacciones entre diferentes moléculas o iones pueden ser energéticamente favorecidas o no. Si las interacciones son desfavorables, entonces la energía libre disminuye con el aumento de la concentración de soluto. En algún punto, la pérdida de energía supera la ganancia de entropía y no se pueden disolver más partículas de soluto ^{[ aclaración necesaria ]} ; se dice que la solución está saturada . Sin embargo, el punto en el que una solución puede saturarse puede cambiar significativamente con diferentes factores ambientales, como la temperatura , la presión y la contaminación. Para algunas combinaciones de soluto-disolvente, se puede preparar una solución sobresaturada aumentando la solubilidad (por ejemplo, aumentando la temperatura) para disolver más soluto y luego bajándola (por ejemplo, enfriándola).

Por lo general, cuanto mayor sea la temperatura del disolvente, más cantidad de un determinado soluto sólido podrá disolver. Sin embargo, la mayoría de los gases y algunos compuestos presentan solubilidades que disminuyen con el aumento de la temperatura. Este comportamiento es el resultado de una entalpía de solución exotérmica . Algunos surfactantes presentan este comportamiento. La solubilidad de los líquidos en líquidos es generalmente menos sensible a la temperatura que la de los sólidos o los gases.

Las propiedades físicas de los compuestos, como el punto de fusión y el punto de ebullición, cambian cuando se añaden otros compuestos. En conjunto, se denominan propiedades coligativas . Hay varias formas de cuantificar la cantidad de un compuesto disuelto en los otros compuestos, denominadas colectivamente concentración . Algunos ejemplos son la molaridad , la fracción de volumen y la fracción molar .

Las propiedades de las soluciones ideales se pueden calcular mediante la combinación lineal de las propiedades de sus componentes. Si tanto el soluto como el disolvente existen en cantidades iguales (como en una solución de 50% de etanol y 50% de agua), los conceptos de "soluto" y "disolvente" pierden relevancia, pero la sustancia que se utiliza con más frecuencia como disolvente se designa normalmente como disolvente (en este ejemplo, agua).

En principio, todos los tipos de líquidos pueden comportarse como disolventes: gases nobles líquidos , metales fundidos, sales fundidas, redes covalentes fundidas y líquidos moleculares. En la práctica de la química y la bioquímica, la mayoría de los disolventes son líquidos moleculares. Se pueden clasificar en polares y apolares , según si sus moléculas poseen un momento dipolar eléctrico permanente . Otra distinción es si sus moléculas pueden formar enlaces de hidrógeno ( disolventes próticos y apróticos). El agua , el disolvente más utilizado, es a la vez polar y mantiene enlaces de hidrógeno.

Las sales se disuelven en disolventes polares, formando iones positivos y negativos que son atraídos por los extremos negativo y positivo de la molécula del disolvente, respectivamente. Si el disolvente es agua, la hidratación se produce cuando los iones solutos cargados quedan rodeados por moléculas de agua. Un ejemplo típico es el agua salada acuosa. Estas soluciones se denominan electrolitos . Siempre que la sal se disuelve en agua, se debe tener en cuenta la asociación de iones .

Los solutos polares se disuelven en disolventes polares, formando enlaces polares o puentes de hidrógeno. A modo de ejemplo, todas las bebidas alcohólicas son soluciones acuosas de etanol . Por otro lado, los solutos no polares se disuelven mejor en disolventes no polares. Ejemplos de ello son los hidrocarburos como el aceite y la grasa que se mezclan fácilmente, aunque son incompatibles con el agua.

Un ejemplo de la inmiscibilidad del petróleo y el agua es una fuga de petróleo de un petrolero averiado, que no se disuelve en el agua del océano sino que flota en la superficie.

En los laboratorios es habitual preparar una solución directamente a partir de sus componentes. En la práctica, existen tres casos:

• Caso 1: se da la cantidad de volumen de disolvente.
• Caso 2: se da la cantidad de masa de soluto.
• Caso 3: se da la cantidad de volumen de la solución final.

En las siguientes ecuaciones, A es el disolvente, B es el soluto y C es la concentración. La contribución del volumen del soluto se considera a través del modelo de solución ideal.

• Caso 1: se da la cantidad (mL) de volumen de disolvente V _{A. Masa de soluto m B} = CV _A d _A /(100-C/d _B )
• Caso 2: se da la cantidad de masa de soluto m _{B. Volumen de disolvente V A} = m _B (100/C-1/ d _B )
• Caso 3: se indica la cantidad (mL) del volumen final de la solución Vt. Masa del soluto m _B = C Vt /100; Volumen del disolvente V _A = (100/C-1/ d _B ) m _B
• Caso 2: se conoce la masa del soluto, V _A = m _B 100/C
• Caso 3: se conoce el volumen total de la solución, misma ecuación que en el caso 1. V _A = Vt; m _B = CV _A /100

Ejemplo: Prepare 2 g/100 mL de solución de NaCl con 1 L de agua . La densidad de la solución resultante se considera igual a la del agua, afirmación que se aplica especialmente a soluciones diluidas, por lo que no se requiere la información sobre la densidad.

m _B = CV _A = ( 2 / 100 ) g/mL × 1000 mL = 20 g

Los químicos suelen preparar soluciones madre concentradas que luego pueden diluirse según sea necesario para aplicaciones de laboratorio. Las soluciones estándar son aquellas en las que las concentraciones de solutos se conocen con exactitud y precisión.

• Solución molar  : medida de concentración de una sustancia química.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Solución porcentual (desambiguación)
• Equilibrio de solubilidad  : Equilibrio termodinámico entre un sólido y una solución del mismo compuesto.
• Sólidos disueltos totales  : la medición en química ambiental es un término común en diversas disciplinas y puede tener diferentes significados según el método analítico utilizado. En el ámbito de la calidad del agua, se refiere a la cantidad de residuos que quedan después de la evaporación del agua de una muestra.
• Temperatura crítica superior de la solución  : temperatura crítica de miscibilidad en una mezcla
• Temperatura crítica inferior de la solución  : temperatura crítica por debajo de la cual los componentes de una mezcla son miscibles para todas las composiciones.
• Transición de espiral a glóbulo  : colapso de una macromolécula desde un estado de espiral expandida a un estado de glóbulo colapsado

• IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª edición (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "solución". doi :10.1351/goldbook.S05746

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