Conceptos Fundamentales de las Disoluciones Químicas: Concentración y Propiedades

Concentración de una Disolución

La concentración de una disolución expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolvente o de disolución. Existen diversas formas de expresarla:

Formas de Expresar la Concentración

Porcentaje en Masa (% m/m)

Indica la masa de soluto (en gramos) por cada 100 gramos de disolución.

% en masa = (m_soluto (g) / m_disolución (g)) * 100

Porcentaje en Volumen (% V/V)

Indica el volumen de soluto (en litros o mililitros) por cada 100 unidades de volumen de disolución.

% en volumen = (V_soluto (L) / V_disolución (L)) * 100

Masa de Soluto por Volumen de Disolución (g/L)

Expresa la masa de soluto (en gramos) por cada litro de disolución.

Concentración (g/L) = m_soluto (g) / V_disolución (L)

Molaridad (M)

Indica la cantidad de sustancia de soluto (en moles) por cada litro de disolución.

M = n_soluto (mol) / V_disolución (L)

Molalidad (m)

Indica la cantidad de sustancia de soluto (en moles) por cada kilogramo de disolvente.

m = n_soluto (mol) / m_disolvente (kg)

Fracción Molar (X)

Expresa la relación entre la cantidad de sustancia (moles) de un componente (soluto o disolvente) y la cantidad de sustancia total de la disolución.

X_soluto = n_soluto / (n_soluto + n_disolvente)

X_disolvente = n_disolvente / (n_soluto + n_disolvente)

La suma de las fracciones molares de todos los componentes es siempre igual a 1: X_soluto + X_disolvente = 1

Proceso de Disolución

La teoría cinética puede servir para explicar el proceso de disolución de un soluto en un disolvente. Al mezclar un disolvente con un soluto sólido, se establecen las siguientes interacciones:

• Soluto – Soluto
• Disolvente – Disolvente
• Disolvente – Soluto

El proceso de disolución se ve favorecido cuando las interacciones soluto-soluto y disolvente-disolvente son relativamente pequeñas en comparación con las interacciones disolvente-soluto. Solo así las partículas de soluto abandonarán las posiciones más o menos fijas que ocupan en sus estructuras y se incorporarán a la disolución. Este proceso se denomina solvatación, o hidratación si el disolvente es el agua. Si el soluto es un sólido, sus partículas seguirán ejerciendo entre sí una cierta atracción reticular que intentará que se vuelva a formar la estructura cristalina original.

Solubilidad

Se denomina solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente y a una determinada temperatura a la concentración máxima de soluto que puede disolverse para formar una disolución saturada. La solubilidad suele expresarse en g soluto / 100 g disolvente o en g soluto / 1 L disolvente.

Variación de la Solubilidad con la Presión (Ley de Henry)

La solubilidad de un gas en un líquido aumenta cuando se incrementa la presión parcial de dicho gas sobre el líquido.

La relación existente entre la presión que un gas ejerce sobre el líquido y su solubilidad en él se expresa mediante la Ley de Henry:

C_gas = k * P_gas

Donde:

• C_gas: Concentración del gas disuelto.
• k: Constante de Henry (depende del gas, del disolvente y de la temperatura).
• P_gas: Presión parcial del gas sobre la disolución.

Sobresaturación

Una disolución está sobresaturada cuando contiene una cantidad de soluto mayor que la correspondiente a su solubilidad a una temperatura y presión dadas (es decir, por encima de la cantidad máxima admitida en condiciones de saturación). Estas disoluciones son inestables y el exceso de soluto puede precipitar fácilmente si se perturba el sistema (por ejemplo, añadiendo un cristal de siembra o agitando).

Factores que Favorecen la Disolución de las Sustancias

Para acelerar el proceso de disolución, se pueden aplicar las siguientes técnicas:

• Pulverizar el soluto: Al pulverizar el soluto, se aumenta su área superficial. Esto conlleva un incremento del número de puntos de contacto entre las partículas de soluto y las moléculas de disolvente, facilitando las colisiones y la disolución.
• Agitar la disolución: La agitación ayuda a dispersar las partículas de soluto disueltas y trae moléculas de disolvente frescas a la superficie del soluto no disuelto, impidiendo que la disolución se sature localmente alrededor de los cristales de soluto.
• Calentar la disolución: Generalmente (aunque no siempre), al aumentar la temperatura, se incrementa la energía cinética de las moléculas (agitación molecular). Esto favorece la ruptura de la estructura cristalina del soluto (si es sólido) y eleva la velocidad de difusión de las partículas de soluto en el seno del disolvente.

Propiedades Coligativas de las Disoluciones

Las propiedades coligativas son aquellas propiedades de las disoluciones que dependen únicamente de la concentración (número de partículas) del soluto no volátil presente, y no de la naturaleza química de dicho soluto.

Disminución de la Presión de Vapor (Ley de Raoult)

Cuando se disuelve un soluto no volátil en un disolvente, la presión de vapor de la disolución resultante es menor que la del disolvente puro a la misma temperatura. La disminución de la presión de vapor (ΔP) es directamente proporcional a la fracción molar del soluto (X_s), según la Ley de Raoult:

ΔP = P⁰ – P’ = P⁰ * X_s

Donde:

• ΔP: Disminución de la presión de vapor.
• P⁰: Presión de vapor del disolvente puro.
• P’: Presión de vapor de la disolución.
• X_s: Fracción molar del soluto.

Descenso Crioscópico (Disminución del Punto de Congelación)

El punto de congelación de una disolución con un soluto no volátil es inferior al del disolvente puro. La disminución del punto de congelación (ΔT_c) es directamente proporcional a la molalidad (m) de la disolución:

ΔT_c = K_c * m

Donde:

• ΔT_c: Descenso crioscópico (T_{c, puro} – T_{c, disolución}).
• K_c: Constante crioscópica molal del disolvente.
• m: Molalidad de la disolución.

Aumento Ebulloscópico (Aumento del Punto de Ebullición)

El punto de ebullición de una disolución con un soluto no volátil es superior al del disolvente puro. El aumento del punto de ebullición (ΔT_e) es directamente proporcional a la molalidad (m) de la disolución:

ΔT_e = K_e * m

Donde:

• ΔT_e: Aumento ebulloscópico (T_{e, disolución} – T_{e, puro}).
• K_e: Constante ebulloscópica molal del disolvente.
• m: Molalidad de la disolución.

Presión Osmótica (Ósmosis)

La ósmosis es el fenómeno que ocurre cuando dos disoluciones de distinta concentración están separadas por una membrana semipermeable (que permite el paso del disolvente pero no del soluto). Se produce un flujo neto de disolvente desde la disolución menos concentrada hacia la más concentrada, hasta que las concentraciones (o más precisamente, el potencial químico del disolvente) se igualan o se alcanza un equilibrio hidrostático.

La presión osmótica (π) es la presión externa que debe aplicarse sobre la disolución más concentrada para detener el flujo neto de disolvente a través de la membrana semipermeable. Para disoluciones diluidas, se calcula mediante la ecuación de Van’t Hoff, similar a la ley de los gases ideales:

π * V = n * R * T

O bien:

π = M * R * T

Donde:

• π: Presión osmótica.
• V: Volumen de la disolución.
• n: Moles de soluto.
• R: Constante de los gases ideales.
• T: Temperatura absoluta (en Kelvin).
• M: Molaridad de la disolución.

Suspensiones

Las suspensiones son mezclas heterogéneas en las que partículas sólidas relativamente grandes (fase dispersa) quedan suspendidas temporalmente en un líquido o gas (fase dispersante o medio dispersante). Estas partículas son lo suficientemente grandes como para sedimentar por gravedad si se dejan en reposo y, a menudo, pueden ser observadas a simple vista o mediante un microscopio óptico. A diferencia de las disoluciones verdaderas, que son transparentes porque el soluto se disgrega a nivel molecular o iónico, las suspensiones son opacas o translúcidas debido al tamaño de las partículas dispersas, que dispersan la luz.

Disoluciones Coloidales (Dispersiones Coloidales)

Las disoluciones coloidales o dispersiones coloidales son mezclas que se encuentran en un estado intermedio entre las disoluciones verdaderas y las suspensiones. Son sistemas heterogéneos donde las partículas de la fase dispersa (sólido, líquido o gas) tienen un tamaño que oscila aproximadamente entre 1 nanómetro y 1 micrómetro. Estas partículas, a menudo llamadas micelas o partículas coloidales, son demasiado pequeñas para sedimentar por gravedad de forma apreciable, pero lo suficientemente grandes como para dispersar la luz (Efecto Tyndall).

El medio en el que se encuentran dispersas se denomina fase dispersante.

Tipos de Dispersiones Coloidales

• Sol: Dispersión coloidal de un sólido (fase dispersa) en un líquido (medio dispersante).
• Gel: Un tipo de sol que ha adquirido una estructura más rígida, a menudo por enfriamiento o por la pérdida parcial del medio dispersante, formando una red tridimensional que atrapa el líquido.

Propiedades Características de las Dispersiones Coloidales

• Efecto Tyndall: Dispersión de un haz de luz al pasar a través de la dispersión coloidal, haciendo visible la trayectoria del haz. Esto las diferencia de las disoluciones verdaderas, que no dispersan la luz visible de esta manera.
• Movimiento Browniano: Movimiento aleatorio y caótico de las partículas coloidales (micelas) debido a las colisiones con las moléculas del medio dispersante. Este movimiento ayuda a evitar la sedimentación.
• Carga Eléctrica: Las partículas coloidales suelen adquirir una carga eléctrica superficial (positiva o negativa) debido a la adsorción selectiva de iones del medio o a la ionización de grupos en su superficie. Esta carga provoca repulsión entre las partículas, contribuyendo a la estabilidad de la dispersión.
• Adsorción: Debido a su gran área superficial relativa, las partículas coloidales presentan un elevado poder adsorbente, es decir, la capacidad de retener sustancias (moléculas, iones) en su superficie.