En todas las soluciones, ya sean gaseosas, líquidas o sólidas, la sustancia presente en la mayor cantidad es el solvente, y la sustancia o sustancias presentes en menores cantidades son los solutos. El soluto no tiene que estar en el mismo estado físico que el solvente, pero el estado físico del solvente generalmente determina el estado de la solución. Mientras el soluto y el solvente se combinen para dar una solución homogénea, se dice que el soluto es soluble en el solvente. La Tabla ( PageIndex {1} ) enumera algunos ejemplos comunes de soluciones gaseosas, líquidas y sólidas e identifica los estados físicos del soluto y disolvente en cada uno.
| Solución | Soluto | Disolvente | Ejemplos |
|---|---|---|---|
| gas | gas | gas | aire, gas natural |
| líquido | gas | líquido | agua de seltzer ( (CO_2 ) gas en agua) |
| líquido | líquido | líquido | bebida alcohólica (etanol en agua), gasolina |
| líquido | sólido | líquido | té, agua salada |
| sólido | gas | sólido | (H_2 ) en Pd (utilizado para almacenamiento (H_2 )) |
| sólido | sólido | líquido | mercurio en plata u oro (amalgama de uso frecuente en odontología) |
| sólido | sólido | sólido | aleaciones y otras “soluciones sólidas” |
Formando una solución
La formación de una solución a partir de un soluto y un solvente es un proceso físico, no químico. Es decir, tanto el soluto como el disolvente pueden recuperarse en formas químicamente inalteradas utilizando métodos de separación apropiados. Por ejemplo, el nitrato de zinc sólido se disuelve en agua para formar una solución acuosa de nitrato de zinc:
[ ce {Zn (NO3) 2 (s) + H2O (l) rightarrow Zn ^ {2 +} (aq) + 2NO ^ {-} 3 (aq)} label {13.1.1} ]
Debido a que (Zn (NO_3) _2 ) se puede recuperar fácilmente evaporando el agua, este es un proceso físico. En contraste, el zinc metálico parece disolverse en ácido clorhídrico acuoso. De hecho, las dos sustancias experimentan una reacción química para formar una solución acuosa de cloruro de zinc con desprendimiento de hidrógeno gaseoso:
[ ce {Zn (s) + 2H ^ {+} (aq) + 2Cl ^ {-} (aq) rightarrow Zn ^ {2 +} (aq) + 2Cl ^ {-} (aq) + H2 (g)} label {13.1.2} ]
Cuando la solución se evapora, no recuperamos zinc metálico, por lo que no podemos decir que el zinc metálico es soluble en ácido clorhídrico acuoso porque se transforma químicamente cuando se disuelve. La disolución de un soluto en un disolvente para formar una solución no implica una transformación química (que es un cambio físico ).
La disolución de un soluto en un disolvente para formar una solución no implica una transformación química.
Se dice que las sustancias que forman una sola fase homogénea en todas las proporciones son completamente miscibles entre sí. El etanol y el agua son miscibles, así como las mezclas de gases son miscibles. Si dos sustancias son esencialmente insolubles entre sí, como el aceite y el agua, son inmiscibles . Ejemplos de soluciones gaseosas que ya hemos discutido incluyen la atmósfera de la Tierra.
El papel de la entalpía en la formación de la solución
Se requiere energía para superar las interacciones intermoleculares en un soluto, que solo puede ser suministrada por las nuevas interacciones que ocurren en la solución, cuando cada partícula de soluto está rodeada por partículas del solvente en un proceso llamado solvation [ 19459040] (o hidratación cuando el solvente es agua). Por lo tanto, todas las interacciones soluto-soluto y muchas de las interacciones solvente-solvente deben interrumpirse para que se forme una solución. En esta sección, describimos el papel de la entalpía en este proceso.
Debido a que la entalpía es una función de estado , podemos usar un ciclo termoquímico para analizar la energía de la formación de la solución. El proceso ocurre en tres pasos discretos, indicados por (ΔH_1 ), (ΔH_2 ) y (ΔH_3 ) en la Figura ( PageIndex {2} ). El cambio general de entalpía en la formación de la solución ( ( Delta H_ {soln} )) es la suma de los cambios de entalpía en los tres pasos:
[ Delta H_ {soln} = Delta H_1 + Delta H_2 + Delta H_3 label {13.1.3} ]
Cuando se agrega un solvente a una solución, los pasos 1 y 2 son endotérmicos porque se requiere energía para superar las interacciones intermoleculares en el solvente ( ( Delta H_1 )) y el soluto ( ( Delta H_2 )). Como (ΔH ) es positivo para ambos pasos 1 y 2, las interacciones soluto-solvente ( ( Delta H_3 )) deben ser más fuertes que las interacciones soluto-soluto y solvente-solvente que reemplazan para el proceso de disolución ser exotérmico ( ( Delta H_ {soln} <0 )). Cuando el soluto es un sólido iónico, (ΔH_2 ) corresponde a la energía de la red que debe superarse para formar una solución. Cuanto mayor es la carga de los iones en un sólido iónico, mayor es la energía de la red. En consecuencia, los sólidos que tienen energías reticulares muy altas, como (MgO ) (-3791 kJ / mol), generalmente son insolubles en todos los solventes.
Un valor positivo para (ΔH_ {soln} ) no significa que no se formará una solución. Si un proceso dado, incluida la formación de una solución, ocurre espontáneamente depende de si la energía total del sistema se reduce como resultado. La entalpía es solo uno de los factores contribuyentes. Un alto (ΔH_ {soln} ) suele ser una indicación de que la sustancia no es muy soluble. Las compresas frías instantáneas utilizadas para tratar lesiones deportivas, por ejemplo, aprovechan el gran positivo (ΔH_ {soln} ) del nitrato de amonio durante la disolución (+25.7 kJ / mol), que produce temperaturas inferiores a 0 ° C (Figura ( PageIndex {3} )).
Formación de entropía y solución
El cambio de entalpía que acompaña a un proceso es importante porque los procesos que liberan cantidades sustanciales de energía tienden a ocurrir espontáneamente. Una segunda propiedad de cualquier sistema, su entropía, también es importante para ayudarnos a determinar si un proceso dado ocurre espontáneamente. Discutiremos la entropía con más detalle en otra parte, pero por ahora podemos afirmar que la entropía ( (S )) es una propiedad termodinámica de todas las sustancias que es proporcional a su grado de trastorno. Un cristal perfecto a 0 K, cuyos átomos están dispuestos regularmente en una red perfecta y son inmóviles, tiene una entropía de cero. En contraste, los gases tienen grandes entropías positivas porque sus moléculas están altamente desordenadas y en constante movimiento a altas velocidades.
La formación de una solución dispersa moléculas, átomos o iones de un tipo a través de una segunda sustancia, lo que generalmente aumenta el trastorno y produce un aumento en la entropía del sistema. Así, los factores entrópicos casi siempre favorecen la formación de una solución. Por el contrario, un cambio en la entalpía puede o no favorecer la formación de la solución. Las fuerzas de dispersión de Londres que mantienen unidos el ciclohexano y el n-hexano en líquidos puros, por ejemplo, son similares en naturaleza y fuerza. En consecuencia, (ΔH_ {soln} ) debería ser aproximadamente cero, como se observa experimentalmente. Sin embargo, la mezcla de cantidades iguales de los dos líquidos produce una solución en la que las moléculas de n-hexano y ciclohexano se distribuyen uniformemente en aproximadamente el doble del volumen inicial. En este caso, la fuerza motriz para la formación de la solución no es un (ΔH_ {soln} ) negativo, sino el aumento de la entropía debido al desorden aumentado en la mezcla. Todos los procesos espontáneos con (ΔH ge 0 ) se caracterizan por un aumento en la entropía. En otros casos, como la mezcla de aceite con agua, sal con gasolina o azúcar con hexano, la entalpía de la solución es grande y positiva, y el aumento de la entropía resultante de la formación de la solución no es suficiente para superarlo. Por lo tanto, en estos casos no se forma una solución.
Todos los procesos espontáneos con ΔH ≥ 0 se caracterizan por un aumento de la entropía.
La Tabla ( PageIndex {2} ) resume cómo los factores entalpicos afectan la formación de la solución para cuatro casos generales. La columna en el extremo derecho utiliza las magnitudes relativas de las contribuciones entalpicas para predecir si se formará una solución a partir de cada una de las cuatro. Tenga en cuenta que en cada caso la entropía favorece la formación de soluciones. En dos de los casos, se espera que la entalpía de la solución sea relativamente pequeña y puede ser positiva o negativa. Por lo tanto, la contribución entrópica domina, y esperamos que se forme una solución fácilmente. En los otros dos casos, se espera que la entalpía de la solución sea grande y positiva. La contribución entrópica, aunque favorable, generalmente es demasiado pequeña para superar el término de entalpía desfavorable. Por lo tanto, esperamos que no se forme una solución fácilmente.
| (ΔH_1 ) (separación de moléculas de disolvente) | (ΔH_2 ) (separación de partículas de soluto) | (ΔH_3 ) (interacciones soluto-solvente) | (ΔH_ {soln} ) ( (ΔH_1 ) + (ΔH_2 ) + (ΔH_3 )) | Resultado de la mezcla de soluto y solvente † |
|---|---|---|---|---|
| grande; positivo | grande; positivo | grande; negativo | pequeño; positivo o negativo | generalmente se formará |
| pequeño; positivo | grande; positivo | pequeño; negativo | grande; positivo | la solución no se formará |
| grande; positivo | pequeño; positivo | pequeño; negativo | grande; positivo | la solución no se formará |
| pequeño; positivo | pequeño; positivo | pequeño; negativo | pequeño; positivo o negativo | generalmente se formará |
| * (ΔH_1 ), (ΔH_2 ) y (ΔH_3 ) se refieren a los procesos indicados en el ciclo termoquímico que se muestra en la Figura ( PageIndex {2} ). † En los cuatro casos, la entropía aumenta. |
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A diferencia de las soluciones líquidas, las interacciones intermoleculares en los gases son débiles (se consideran inexistentes en los gases ideales). Por lo tanto, mezclar gases suele ser un proceso térmicamente neutro ( (ΔH_ {soln} aprox 0 )), y el factor entrópico debido al aumento del desorden es dominante (Figura ( PageIndex {4} )). En consecuencia, todos los gases se disuelven fácilmente entre sí en todas las proporciones para formar soluciones.
Resumen
Las soluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias cuyos componentes están distribuidos uniformemente a escala microscópica. El componente presente en la mayor cantidad es el solvente, y los componentes presentes en menores cantidades son los solutos. La formación de una solución a partir de un soluto y un solvente es un proceso físico, no químico. Las sustancias que son miscibles, como los gases, forman una sola fase en todas las proporciones cuando se mezclan. Las sustancias que forman fases separadas son inmiscibles. La solvatación es el proceso en el cual las partículas de soluto están rodeadas por moléculas solventes. Cuando el solvente es agua, el proceso se llama hidratación. El cambio general de entalpía que acompaña a la formación de una solución, (ΔH_ {soln} ), es la suma del cambio de entalpía para romper las interacciones intermoleculares tanto en el disolvente como en el soluto y el cambio de entalpía para la formación de un nuevo soluto –Interacciones solventes. Los procesos exotérmicos ( (ΔH_ {soln} <0 )) favorecen la formación de la solución. Además, el cambio en la entropía, el grado de desorden del sistema, debe considerarse al predecir si se formará una solución. Un aumento en la entropía (una disminución en el orden) favorece la disolución.