- Disoluciones

En química, mezclas homogéneas de dos o más sustancias. La sustancia presente en mayor cantidad suele recibir el nombre de disolvente, y a la de menor cantidad se le llama soluto y es la sustancia disuelta. El soluto puede ser un gas, un líquido o un sólido, y el disolvente puede ser también un gas, un líquido o un sólido. El agua con gas es un ejemplo de un gas (dióxido de carbono) disuelto en un líquido (agua). Las mezclas de gases, como ocurre en la atmósfera, son disoluciones. Las disoluciones verdaderas se diferencian de las disoluciones coloidales y de las suspensiones en que las partículas del soluto son de tamaño molecular, y se encuentran dispersas entre las moléculas del disolvente. Observadas a través del microscopio, las disoluciones aparecen homogéneas y el soluto no puede separarse por filtración. Las sales, ácidos y bases se ionizan al disolverse en agua.

 

Dos tipos de disoluciones sólidas forman una disolución sólida cuando los átomos de una sustancia se distribuyen por completo alrededor de los de otra. Las aleaciones, que son mezclas de dos o más metales, son con frecuencia disoluciones sólidas. Aquí se ilustran dos tipos de estas disoluciones. La de la izquierda es intersticial, lo que significa que los átomos disueltos ocupan espacios vacíos de la estructura cristalina del material disolvente. Esto sólo es posible cuando los átomos disueltos son mucho menores que los de la sustancia que los recibe. Pertenecen a esta clase ciertos aceros formados por una disolución de carbono en hierro. La disolución de la derecha es de sustitución: los átomos disueltos sustituyen a algunos de los que forman la red cristalina receptora. Pertenece a esta categoría el bronce, en el que el cinc se disuelve en cobre

 

Algunos metales son solubles en otros en estado líquido y solidifican manteniendo la mezcla de átomos. Si en dicha mezcla los dos metales pueden solidificar en cualquier proporción, se trata de una disolución sólida.

 

- Solubilidad

 Algunos líquidos, como el agua y el alcohol, pueden disolverse entre ellos en cualquier proporción. En una disolución de azúcar en agua, puede suceder que, si se le sigue añadiendo más azúcar, se llegue a un punto en el que ya no se disolverá más, pues la disolución está saturada. La solubilidad de un compuesto en un disolvente concreto y a una temperatura y presión dadas se define como la cantidad máxima de ese compuesto que puede ser disuelta en la disolución. En la mayoría de las sustancias, la solubilidad aumenta al aumentar la temperatura del disolvente. En el caso de sustancias como los gases o sales orgánicas de calcio, la solubilidad en un líquido aumenta a medida que disminuye la temperatura. En general, la mayor solubilidad se da en disoluciones cuyas moléculas tienen una estructura similar a las del disolvente.

 

- Propiedades físicas de las disoluciones

 Cuando se añade un soluto a un disolvente, se alteran algunas propiedades físicas del disolvente. Al aumentar la cantidad del soluto, sube el punto de ebullición y desciende el punto de solidificación. Así, para evitar la congelación del agua utilizada en la refrigeración de los motores de los automóviles, se le añade un anticongelante (soluto), como el 1,2-etanodiol (HOCH2CH2OH). Por otra parte, al añadir un soluto se rebaja la presión de vapor del disolvente.

 

Otra propiedad destacable de una disolución es su capacidad para ejercer una presión osmótica. Si separamos dos disoluciones de concentraciones diferentes por una membrana semipermeable (una membrana que permite el paso de las moléculas del disolvente, pero impide el paso de las del soluto), las moléculas del disolvente pasarán de la disolución menos concentrada a la disolución de mayor concentración, haciendo a esta última más diluida.

 

- Concentración de una disolución

 Existen distintas formas de expresar la concentración de una disolución, pero las dos más utilizadas son: gramos por litro (g/l) y molaridad (M). Los gramos por litro indican la masa de soluto, expresada en gramos, contenida en un determinado volumen de disolución, expresado en litros. Así, una disolución de cloruro de sodio con una concentración de 40 g/l contiene 40 g de cloruro de sodio en un litro de disolución.

 

La molaridad se define como la cantidad de sustancia de soluto, expresada en moles, contenida en un cierto volumen de disolución, expresado en litros, es decir: M = n/V. El número de moles de soluto equivale al cociente entre la masa de soluto y la masa de un mol (masa molar) de soluto. Por ejemplo, para conocer la molaridad de una disolución que se ha preparado disolviendo 70 g de cloruro de sodio (NaCl) hasta obtener 2 litros de disolución, hay que calcular el número de moles de NaCl; como la masa molar del cloruro de sodio es la suma de las masas atómicas de sus elementos, es decir, 23 + 35,5 = 58,5 g/mol, el número de moles será 70/58,5 = 1,2 y, por tanto, M = 1,2/2= 0,6 M (0,6 molar).

 

- pH

Término que indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución. Se trata de una medida de la acidez de la disolución. El término (del francés pouvoir hydrogène, 'poder del hidrógeno') se define como el logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, H+, cambiado de signo:

 

pH = -log [H+]

 

donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno en moles por litro. Debido a que los iones H+ se asocian con las moléculas de agua para formar iones hidronio, H3O+ (véase Ácidos y bases), el pH también se expresa a menudo en términos de concentración de iones hidronio.

 

En agua pura a 25 °C de temperatura, existen cantidades iguales de iones H3O+ y de iones hidróxido (OH-); la concentración de cada uno es 10-7 moles/litro. Por lo tanto, el pH del agua pura es -log (10-7), que equivale a 7. Sin embargo, al añadirle un ácido al agua, se forma un exceso de iones H3O+; en consecuencia, su concentración puede variar entre 10-6 y 10-1 moles/litro, dependiendo de la fuerza y de la cantidad de ácido. Así, las disoluciones ácidas tienen un pH que varía desde 6 (ácido débil) hasta 1 (ácido fuerte). En cambio, una disolución básica tiene una concentración baja de iones H3O+ y un exceso de iones OH-, y el pH varía desde 8 (base débil) hasta 14 (base fuerte).

 

El pH de una disolución puede medirse mediante una valoración, que consiste en la neutralización del ácido (o base) con una cantidad determinada de base (o ácido) de concentración conocida, en presencia de un indicador (un compuesto cuyo color varía con el pH). También se puede determinar midiendo el potencial eléctrico que se origina en ciertos electrodos especiales sumergidos en la disolución

 

Para comparar los volúmenes de las sustancias gaseosas que intervienen en los procesos físicos y químicos es necesario que se encuentren en las mismas condiciones de presión y temperatura. Arbitrariamente se han establecido unas condiciones, denominadas condiciones normales, que son 0 ºC (273 K) y 1,0 atm (1,013 · 105 Pa). De acuerdo con la ley de Avogadro, un mol de cualquier gas ocupa el mismo volumen que un mol de cualquier otro gas, cuando los volúmenes se miden en las mismas condiciones de temperatura y presión. Es decir, un mol de cualquier gas, en condiciones normales, ocupa siempre el mismo volumen; este volumen es el volumen molar y es 22,4 litros.

 

 

- Mol

Unidad básica del Sistema Internacional de unidades, definida como la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas, iones, electrones u otras partículas) como átomos hay en 0,012 kg (12 g) de carbono 12. Esa cantidad de partículas es aproximadamente de 6,0221 × 1023, el llamado número de Avogadro. Por tanto, un mol es la cantidad de cualquier sustancia cuya masa expresada en gramos es numéricamente igual a la masa atómica de dicha sustancia.

 

 

- Líquidos

Sustancias en un estado de la materia intermedio entre los estados sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Los estudios de líquidos con rayos X han demostrado la existencia de un cierto grado de regularidad molecular que abarca unos pocos diámetros moleculares. En algunos líquidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisotrópicas (propiedades, como el índice de refracción, que varían según la dirección dentro del material). En condiciones apropiadas de temperatura y presión, la mayoría de las sustancias puede existir en estado líquido. A presión atmosférica, sin embargo, algunos sólidos se subliman al calentarse; es decir, pasan directamente del estado sólido al estado gaseoso. La densidad de los líquidos suele ser algo menor que la densidad de la misma sustancia en estado sólido. Algunas sustancias, como el agua, son más densas en estado líquido.

 

Los líquidos se caracterizan por una resistencia al flujo llamada viscosidad. La viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura y aumenta al crecer la presión. La viscosidad también está relacionada con la complejidad de las moléculas que constituyen el líquido: es baja en los gases inertes licuados y alta en los aceites pesados. La presión de un vapor en equilibrio con su forma líquida, la llamada presión de vapor, sólo depende de la temperatura; su valor a una temperatura dada es una propiedad característica de cada líquido. También lo son el punto de ebullición, el punto de solidificación y el calor de vaporización (esencialmente, el calor necesario para transformar en vapor una determinada cantidad de líquido). En ciertas condiciones, un líquido puede calentarse por encima de su punto de ebullición; los líquidos en ese estado se denominan supercalentados. También es posible enfriar un líquido por debajo de su punto de congelación

 

 

- Masa molar

Masa de un mol de partículas. La masa molar, M, de una sustancia es la masa en gramos de un mol de esa sustancia. Se expresa en g/mol.

La masa molar en los átomos es la masa atómica relativa expresada en g/mol. La masa molar de un compuesto es igual a la masa molecular relativa, o peso molecular, expresada en g/mol. Los números que indican la masa molar y la masa molecular coinciden porque se eligió como factor de conversión entre la unidad de masa atómica y el gramo el inverso de la constante de Avogadro.

 

La medida de la masa de un volumen conocido en estado gaseoso es el cauce más práctico para hallar la masa molar de una sustancia, por lo que se utiliza este procedimiento siempre que la sustancia se pueda vaporizar sin descomponerse. Pero la mayor parte de las sustancias son sólidos que no pueden vaporizarse y su masa molar se determina utilizando métodos que aprovechan las propiedades coligativas (punto de ebullición, punto de solidificación y presión osmótica) de las disoluciones. Estas propiedades, al depender del número de moléculas de soluto contenidas en una masa de disolvente, permiten hallar la masa molar del soluto disuelto.

 

- Ley de Avogadro

El estudio de los gases atrajo la atención del físico italiano Amedeo Avogadro, que en 1811 formuló una importante ley que lleva su nombre (ver Ley de Avogadro). Esta ley afirma que dos volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas si sus condiciones de temperatura y presión son las mismas. Si se dan esas condiciones, dos botellas idénticas, una llena de oxígeno y otra de helio, contendrán exactamente el mismo número de moléculas. Sin embargo, el número de átomos de oxígeno será dos veces mayor puesto que el oxígeno es diatómico.

 

- Molécula

La partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, éstas tendrán una naturaleza diferente de la sustancia original. Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes, y cada una dividirse a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno. Cada molécula se presenta independientemente de las demás. Si se encuentran dos moléculas, se suele producir un rebote sin que ocurran cambios fundamentales. En caso de encuentros más violentos se producen alteraciones en la composición de las moléculas, y pueden tener lugar transformaciones químicas.

Las moléculas están formadas por combinaciones específicas de átomos. Las sustancias comunes pueden dividirse teóricamente en moléculas simples, como aquí se representa, pero no se pueden dividir más sin alterar su naturaleza. Como en una receta en la que los átomos son los ingredientes, cada molécula tiene una fórmula química. Si se quita o cambia un ingrediente, la molécula resultante será completamente diferente.

Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Existen moléculas compuestas de cientos, miles, incluso millones de átomos. Gran parte de la química moderna está dedicada al estudio de la composición, estructura y tamaño de las moléculas. Para estudiar las moléculas y sus reacciones se emplean descargas de rayos láser de cortísima duración.

 

Las moléculas simples son las de menor tamaño. Así, las moléculas de hidrógeno tienen un diámetro de unos 10-10 m, y una masa de unos 3 × 10-27 kg. Otras moléculas más complejas adoptan la forma de cadenas, anillos o hélices.

 

- Masa molecular

La masa de una molécula puede determinarse a través de experimentos o el cálculo simple. La masa molecular de los átomos elementales, como el carbono 12, es la misma que su masa atómica, ya conocida (ver Átomo: Masa atómica). Si partimos de una molécula de estructura atómica conocida, podemos calcular su masa molecular. Así, el agua (H2O), que tiene dos átomos de hidrógeno (la masa atómica del átomo de hidrógeno es igual a uno) y un átomo de oxígeno (la masa atómica de un átomo de oxígeno es igual a 16), tiene una masa molecular igual a 18. Algunas moléculas más complejas pueden llegar a tener una masa molecular de cientos de millones. En la determinación experimental de la masa molecular de una sustancia, se calcula la masa real en gramos por mol.

 

- Amoniaco

Amoníaco, gas de olor picante, incoloro, de fórmula NH3, muy soluble en agua. Una disolución acuosa saturada contiene un 45% en peso de amoníaco a 0 °C, y un 30% a temperatura ambiente. Disuelto en agua, el amoníaco se convierte en hidróxido de amonio, NH4OH, de marcado carácter básico y similar en su comportamiento químico a los hidróxidos de los metales alcalinos.

El amoníaco era conocido por los antiguos, quienes lo obtuvieron a partir de la sal amónica, producida por destilación del estiércol de camello cerca del templo de Júpiter Amón en Libia (de ahí su nombre). En Europa, durante la edad media, el amoníaco se obtenía calentando los cuernos y pezuñas de bueyes, y se llamaba espíritu de cuerno de ciervo. El alquimista alemán Basil Valentine obtuvo el amoníaco libre, y, en torno a 1777, el químico francés Claude L. Berthollet determinó su composición.

En el siglo XIX, la principal fuente de amoníaco fue la destilación de la hulla; era un derivado importante en la fabricación de los combustibles gaseosos. Hoy, la mayoría del amoníaco se produce sintéticamente a partir de hidrógeno y nitrógeno por el proceso de Haber-Bosch (véase Fritz Haber). El amoníaco es un refrigerante importante y se usa mucho en la industria química, especialmente en la fabricación de fertilizantes, ácido nítrico y explosivos.

Su punto de fusión es -77,7 °C, su punto de ebullición -33,35 °C, y tiene una densidad relativa de 0,68 a su temperatura de ebullición y a 1 atmósfera (760 mm Hg) de presión.

 

- Agua

Nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto de hidrógeno y oxígeno H2O. Los antiguos filósofos consideraban el agua como un elemento básico que representaba a todas las sustancias líquidas. Los científicos no descartaron esta idea hasta la última mitad del siglo XVIII. En 1781 el químico británico Henry Cavendish sintetizó agua detonando una mezcla de hidrógeno y aire. Sin embargo, los resultados de este experimento no fueron interpretados claramente hasta dos años más tarde, cuando el químico francés Antoine Laurent de Lavoisier propuso que el agua no era un elemento sino un compuesto de oxígeno e hidrógeno. En un documento científico presentado en 1804, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac y el naturalista alemán Alexander von Humboldt demostraron conjuntamente que el agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno, tal como se expresa en la fórmula actual H2O.

 

Una molécula de agua consiste en un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, unidos formando un ángulo de 105°. Al estar unido cada átomo de hidrógeno con un elemento muy electronegativo como el oxígeno, el par de electrones del enlace estará muy atraído por éste. Estos electrones forman una región de carga negativa, que polariza eléctricamente a toda la molécula. Esta cualidad polar explica el fuerte enlace entre las moléculas, así como ciertas propiedades del agua poco comunes, por ejemplo, el hecho de que se expande al solidificarse.

Casi todo el hidrógeno del agua tiene una masa atómica de 1. El químico estadounidense Harold Clayton Urey descubrió en 1932 la presencia en el agua de una pequeña cantidad (1 parte por 6.000) de lo que se denomina agua pesada u óxido de deuterio (D2O); el deuterio es el isótopo del hidrógeno con masa atómica 2. En 1951 el químico estadounidense Aristid Grosse descubrió que el agua existente en la naturaleza contiene también cantidades mínimas de óxido de tritio (T2O); el tritio es el isótopo del hidrógeno con masa atómica 3.

 

 - Reacción química

Proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

 

En una reacción química se conserva el número de átomos y la masa original, pero se redistribuye el material en nuevas estructuras. Por ejemplo, un precipitado sólido amarillo, el yoduro de plomo (Pbl2), se forma por la reacción de dos líquidos, el yoduro de potasio (KI) y el nitrato de plomo (Pb(NO3) 2).

 

Las reacciones que forman productos químicos útiles también pueden causar problemas medioambientales. El dióxido de azufre (SO2), por ejemplo, producido al quemar azufre en aire (como se observa en la fotografía), es el precursor del ácido sulfúrico (H2SO4), que a su vez se usa para producir fertilizantes. Sin embargo, el azufre es una impureza común en los combustibles fósiles utilizados para la calefacción y para producir electricidad; de esta forma se producen grandes cantidades de SO2 en condiciones incontroladas, causando la contaminación local del aire y problemas mayores como el de la lluvia ácida.

 

Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.

  

 

 

 

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