Tipos de soluciones

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. Como esa definición no restringe en modo alguno la naturaleza de las sustancias requeridas, se pueden considerar seis tipos de soluciones dependiendo de los estados originales (sólido, líquido o gaseoso) de los componentes de la solución. En la siguiente tabla veremos algunos ejemplos de estos casos.

Otro tipo de diferenciación de las soluciones es su capacidad para disolver al soluto. Una solución saturada contiene la máxima cantidad de un soluto que se disuelve en un solvente en particular, a una temperatura específica. Una solución insaturada contiene menos cantidad de soluto de la que puede disolver. Un tercer tipo la solución sobresaturada, contiene más soluto del que puede haber en una solución saturada.

Las soluciones sobresaturadas son muy inestables. Con el tiempo una parte del soluto se separa de la solución sobresaturada en forma de cristales. La cristalización es el proceso en el cual un soluto disuelto se separa de la solución y forma cristales.

Una visión molecular del proceso de disolución

En los estados sólido y líquido, las moléculas se mantienen unidas por atracciones intermoleculares. Estas fuerzas también juegan un papel central en la formación de soluciones. El dicho “lo semejante disuelve a lo semejante” se basa en la acción de las fuerzas intermoleculares. Cuando una sustancia (el soluto) se disuelve en otra (el solvente) - por ejemplo un sólido en un líquido - las partículas de soluto se dispersan homogéneamente en todo el solvente. Las partículas de soluto ocupan posiciones que por lo normal corresponden a moléculas de solvente. La facilidad con que una partícula de soluto puede remplazar a una molécula de solvente depende de la fuerza relativa de tres tipos de interacciones.

• Interacción solvente - solvente.

• Interacción solvente - soluto.

• Interacción soluto - soluto.

Podemos imaginar que el proceso de disolución se lleva a cabo en tres etapas, la etapa 1 es la separación de las moléculas de solvente y la etapa 2 es la separación de las moléculas de soluto. En estas etapas se reuiere inversión de energía para romper las fuerzas de atracción molecular; por lo tanto son endotérmicas. En la tercera etapa se mezclan las moléculas de solvente y soluto la que puede ser endotérmica o exotérmica.

Si la atracción soluto-solvente es más fuerte que la atracción solvente-solvente y que la atracción soluto-soluto, el soluto se disolverá en el solvente; este proceso es exotérmico. Si por el contrario la atracción soluto-solvente es más débil, el proceso será endotérmico.

Soluciones líquidos en líquidos.

Tanto el tetracloruro de carbono (CCl4, p.eb.(punto de ebullición)= 76,5 ºC) como el benceno (C6H6, p.eb. =80,1 ºC) son líquidos no polares. Cuando estos dos líquidos se mezclan se disuelven entre sí. Esto se debe a que la atracción entre las moléculas de CCl4 y C6H6 es comparable en magnitud a aquellas que se dan entre las moléculas de CCl4 y entre las moléculas de C6H6. Cuando dos líquidos son completamente soluble entre sí en todas proporciones se dice que son miscibles. El etanol (C2H5OH) y el agua son también líquidos miscibles. En una solución de etanol-agua la interacción soluto-solvente adquiere la forma de enlaces de hidrógeno, comparables en magnitud a los que se producen entre las moléculas de agua y las moléculas de etanol.

¿Qué sucedería si se intentara disolver tetracloruro de carbono en agua?. Para formar una solución, las moléculas de CCl4 tendrían que sustituir a algunas moléculas de H2O. Sin embargo, las fuerzas de atracción de las moléculas de CCl4 y H2O son dipolo-dipolo inducido y fuerzas de dispersión que, en este caso, son mucho más débiles que los enlaces de hidrógeno del agua (y las fuerzas de dispersión del CCl4). En consecuencia, los dos líquidos no se mezclan por lo que se dice que son inmiscibles. Lo que se obtiene son dos fases líquidas distintas, una que consta de agua con una muy pequeña cantidad de CCl4 y otra de CCl4 con una muy pequeña cantidad de agua.

Estos ejemplos muestran que “lo semejante disuelve a lo semejante”: dos líquidos no polares a menudo son miscibles y también lo son los líquidos polares, pero uno polar generalmente se disuelve muy poco en uno no polar.

Soluciones sólidos en líquidos

Para analizarla solubilidad de sólidos en líquidos dividiremos a los sólidos en 4 categorías. iónicos, covalentes, ,moleculares y metálicos.

Cristales iónicos

Estos compuestos son muchos más solubles en solventes polar, como el agua, el amoniaco líquido, y el fluoruro de hidrógeno líquido, que en solventes no polares, como el benceno y el tetracloruro de carbono. Como las moléculas de los solventes no polares carecen de momento dipolo, no pueden solvatar eficazmente a los iones Na+ y CL-. La interacción molecular predominante es la del ion-dipolo inducido, que es mucho más débil que la interacción ion-dipolo. En consecuencia, los compuestos iónicos tienen en general solubilidades extremadamente bajas en solventes no polares.

La solubilidad de los compuestos iónicos en los solventes no polares se puede incrementar en forma relevante mediante el uso de una clase de compuestos llamados éteres corona. Por ejemplo, el permanganato de potasio, que es prácticamente insoluble en benceno, se puede disolver en cierta medida en ese punto si sele agrega un éter corona apropiado. El catión se sitúa en el centro del anillo y se estabiliza por reacciones ion-dipolo con los átomos circundantes de O. Como el exterior del éter corona es en gran parte no polar el complejo éter corona-K+ se puede disolver fácilmente en solventes no polares. La solución resultante es útil porque permite llevar a cabo la oxidación con permanganato de potasio en solventes orgánicos no polares

Cristales covalentes

Los cristales covalentes, como el grafito y el cuarzo (SiO2), por lo general no se disuelven en solvente alguno, sea polar o no polar.

Cristales moleculares.

Las fuerzas de atracción entre las moléculas de un cristal molecular son fuerzas relativamente débiles dipolo-dipolo , tipo dispersión y/o enlaces de hidrógeno. Considérese el naftaleno (C10H8) como un ejemplo. En un cristal de naftaleno las moléculas C10H8 se mantienen unidas sólo por fuerzas de dispersión. Así que puede predecirse que el naftaleno se disolverá rápido en compuestos no polares, tales como el benceno, pero sólo ligeramente en agua. De hecho, éste es el caso. Por otro lado, se encuentra que la urea (H2NCONH2) es mucho más soluble en el agua y en el etanol que en el CCl4 o C6H6 porque tiene la capacidad de formar enlaces de hidrógeno con agua. (Los átomos de H y los átomos de O y N de la urea pueden formar enlaces de hidrógeno con las moléculas de H2O y C2H5OH).

Cristales metálicos

En general, los metales no son solubles en disolvente alguno, sea polar o no polar. En vez de ello, mucho metales reaccionan químicamente con el solvente. Por ejemplo, los metales alcalinos y algunos metales alcalinotérreos (Ca, Sr, Ba) reaccionan con agua para producir hidrógeno gaseoso y el hidróxido metálico correspondiente. Los metales alcalinos también se “disuelven” en amoniaco líquido para dar una solución azul que contiene electrones solvatados.

Na (S) Na+ + e-

Los iones Na+ y los electrones se estabilizan por interacciones ion - dipolo con las moléculas polares de NH3

NH3