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 luego se alejan del soluto sólido y salen a la solución. El proceso de mezcla de una solución ocurre a una escala donde están involucrados los efectos de la polaridad química , lo que resulta en interacciones que son específicas de la solvatación . La solución suele tener el estado de disolvente cuando el disolvente es la fracción mayor 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 determinada de solución o disolvente. El término " solución acuosa " se utiliza cuando uno de los disolventes es agua . [1]
Homogéneo significa que los componentes de la mezcla forman una sola fase. Heterogéneo significa que los componentes de la mezcla son de diferentes fases. Las propiedades de la mezcla (como concentración, temperatura y densidad) pueden distribuirse uniformemente en todo el volumen, pero sólo en ausencia de fenómenos de difusión o después de su finalización. Normalmente, la sustancia presente en mayor cantidad se considera disolvente. Los disolventes pueden ser gases, líquidos o sólidos. Uno o más componentes presentes en la solución distintos del disolvente se denominan solutos. La solución tiene el mismo estado físico que el disolvente.
Si el disolvente es un gas , sólo se disuelven gases (no condensables) o vapores (condensables) bajo un conjunto determinado de condiciones. Un ejemplo de solución gaseosa es el aire (oxígeno y otros gases disueltos en nitrógeno). Dado que las interacciones entre moléculas gaseosas casi no desempeñan ningún papel, los gases no condensables forman soluciones bastante triviales. En la literatura ni siquiera se clasifican como soluciones, sino simplemente 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 de gases 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 de gravitación en las condiciones normales que prevalecen en la Tierra. El caso de los vapores condensables es diferente: una vez alcanzada la presión de vapor de saturación a una temperatura determinada, el exceso de vapor se condensa al estado líquido .
Si el disolvente es un líquido , entonces casi todos los gases, líquidos y sólidos se pueden disolver. Aquí hay unos ejemplos:
Los contraejemplos los proporcionan las mezclas líquidas que no son homogéneas : los coloides , las suspensiones y las emulsiones no se consideran soluciones.
Los fluidos corporales son ejemplos de soluciones líquidas complejas que contienen muchos solutos. Muchos de estos son electrolitos ya que contienen iones solutos, como el potasio . Además, contienen moléculas de soluto como azúcar y urea . El oxígeno y el dióxido de carbono también son componentes esenciales de la química sanguínea , donde 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.
La capacidad de un compuesto para disolverse en otro compuesto se llama solubilidad . [ se necesita aclaración ] Cuando un líquido puede disolverse completamente en otro líquido, los dos líquidos son miscibles . Se dice que dos sustancias que nunca pueden mezclarse para formar una solución son inmiscibles .
Todas las soluciones tienen una entropía de mezcla positiva. Las interacciones entre diferentes moléculas o iones pueden verse favorecidas energéticamente o no. Si las interacciones son desfavorables, entonces la energía libre disminuye al aumentar la concentración de soluto. En algún momento, la pérdida de energía supera la ganancia de entropía y no se pueden disolver más partículas de soluto [ se necesita aclaración ] ; 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 soluto-disolvente, se puede preparar una solución sobresaturada aumentando la solubilidad (por ejemplo, aumentando la temperatura) para disolver más soluto y luego reduciéndola (por ejemplo, enfriando).
Por lo general, cuanto mayor es la temperatura del disolvente, más soluto sólido determinado puede disolver. Sin embargo, la mayoría de los gases y algunos compuestos presentan solubilidades que disminuyen al aumentar la temperatura. Tal comportamiento es el resultado de una entalpía exotérmica de la solución . Algunos tensioactivos 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 agregan otros compuestos. Juntas se denominan propiedades coligativas . Hay varias formas de cuantificar la cantidad de un compuesto disuelto en otros compuestos llamados colectivamente concentración . Los ejemplos incluyen molaridad , fracción en volumen y 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 solvente existen en cantidades iguales (como en una solución de 50% de etanol y 50% de agua), los conceptos de "soluto" y "solvente" se vuelven menos relevantes, pero la sustancia que se usa con más frecuencia como solvente es normalmente designado como disolvente (en este ejemplo, agua).
En principio, todo tipo 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 ( solventes próticos y apróticos). El agua , el disolvente más comúnmente utilizado, es 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 de disolvente, respectivamente. Si el disolvente es agua, la hidratación se produce cuando los iones del soluto cargados quedan rodeados por moléculas de agua. Un ejemplo estándar es el agua salada acuosa. Estas soluciones se denominan electrolitos . Siempre que la sal se disuelva en agua se debe tener en cuenta la asociación de iones .
Los solutos polares se disuelven en disolventes polares, formando enlaces polares o enlaces de hidrógeno. Por ejemplo, todas las bebidas alcohólicas son soluciones acuosas de etanol . Por otro lado, los solutos no polares se disuelven mejor en disolventes no polares. Algunos ejemplos 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 la fuga de petróleo de un petrolero averiado, que no se disuelve en el agua del océano sino que flota en la superficie.
Es una práctica común en los laboratorios preparar una solución directamente a partir de sus ingredientes constituyentes. Hay tres casos en el cálculo práctico:
En las siguientes ecuaciones, A es solvente, B es soluto y C es concentración. La contribución del volumen de soluto se considera a través del modelo de solución ideal.
Ejemplo: preparar 2 g/100 ml de solución de NaCl con 1 litro de agua . La densidad de la solución resultante se considera igual a la del agua, afirmación que se cumple especialmente para soluciones diluidas, por lo que no se requiere información sobre la densidad.
Los químicos suelen elaborar soluciones madre concentradas que luego pueden diluirse según sea necesario para aplicaciones de laboratorio. Las soluciones estándar son aquellas en las que se conocen con exactitud y precisión las concentraciones de solutos.
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