Soluto, disolvente y solubilidad

¿Qué es una disolución y cuál componente es el disolvente?

En una disolución la composición es la misma en cualquier punto del volumen. No ves capas ni un polvo asentado. El disolvente es el componente cuya concentración es claramente mayor. Los solutos van en concentración menor. Cuando el disolvente es agua, la disolución es acuosa. ¹

La sacarosa, el azúcar de mesa, se reparte molécula por molécula entre el agua y no se va al fondo, aunque pese más. Un sólido iónico se parte en iones: el dicromato de potasio suelta iones potasio e iones dicromato, y esos iones quedan dispersos. ¹

Casi cualquier gas, líquido o sólido puede hacer de disolvente. El aire es una disolución gaseosa: el oxígeno es un soluto y el nitrógeno, que abunda más, es el disolvente. Un refresco lleva dióxido de carbono disuelto en agua. El hidrógeno puede disolverse en paladio sólido. El latón es zinc disuelto en cobre, los dos sólidos. El agua salada es cloruro de sodio en agua. En un alcohol de fricción donde manda el 2-propanol, el agua es el soluto. ¹

Estas son las marcas de una disolución. Es homogénea. Su estado físico, sólido, líquido o gas, suele ser el del disolvente. Los componentes están dispersos a escala de moléculas, átomos o iones, y cada partícula de soluto queda rodeada de disolvente. El soluto disuelto no se asienta ni se separa. La composición puede variar de forma continua, dentro del límite que marca la solubilidad. ¹

Si dentro del líquido ves burbujas de gas, esa mezcla no es homogénea y, por eso, no es una disolución. El gas que ya se dispersó y no forma burbuja sí cuenta. ¹

Cómo se arma

Formar una disolución es un proceso espontáneo: ocurre en las condiciones dadas sin que le metas energía desde fuera. Agitar apura el proceso. No es obligatorio. Con el tiempo la mezcla se vuelve homogénea. Dos cosas favorecen que se forme, sin garantizarlo. Una es que baje la energía interna del sistema, un cambio exotérmico. La otra es que la materia quede más dispersa. ¹

En el camino hay tres atracciones: soluto con soluto, disolvente con disolvente, y soluto con disolvente. Separar las partículas del soluto cuesta energía. Separar las del disolvente también. Esas dos etapas absorben calor. Cuando el soluto y el disolvente se atraen, se libera calor. A eso se le llama solvatación. Si separar cuesta mucho más de lo que la solvatación devuelve, la sustancia puede no disolverse de forma apreciable. El carbonato de calcio, el componente principal de los arrecifes de coral, es un ejemplo. Si la solvatación gana por mucho, la disolución es muy exotérmica y el compuesto puede ser muy soluble. El hidróxido de sodio entra en ese caso. ¹

No toda disolución que sí ocurre suelta calor. El nitrato de amonio se disuelve absorbiendo calor. Por eso sirve para las compresas de frío instantáneo: al romperse la bolsa interior, la sal se disuelve en el agua y la zona se enfría. El proceso es espontáneo por el aumento de dispersión de la materia, aunque pida más energía para separar el soluto de la que devuelve la solvatación. ¹

Si las atracciones entre partículas distintas pesan igual que las de cada sustancia por separado, casi no hay cambio de energía. Esa mezcla es ideal. Helio con argón se mezcla solo al abrir el paso entre los recipientes. Metanol con etanol, y pentano con hexano, también. ¹

Solubilidad

La solubilidad de un soluto en un disolvente es la concentración máxima que se alcanza, en condiciones dadas, cuando la disolución está en equilibrio. Si la concentración iguala esa solubilidad, la disolución está saturada. Si es menor, está insaturada. Diluida y concentrada son palabras de comparación: poco soluto o mucho, sin decir que ya llegaste al límite. ²

Se puede preparar una disolución cuya concentración supera la solubilidad. Está sobresaturada y no está en equilibrio. Un refresco abierto que todavía no se ha quedado sin gas está sobresaturado de dióxido de carbono. Con el tiempo ese gas sale hasta quedar en su solubilidad y la bebida se pone "aguada". ²

En un gas disuelto en un líquido no hay que vencer atracciones entre partículas del gas: ya van separadas. La solubilidad de esos gases suele bajar cuando sube la temperatura. Un vaso de agua fría suelta burbujas pequeñas al entibiarse. En un río, más temperatura deja menos oxígeno disuelto. ²

La solubilidad de un gas también sube si sube su presión parcial. Al destapar un refresco oyes el escape y ves burbujas: bajó la presión del dióxido de carbono y parte del gas disuelto sale. Para muchos gases la concentración disuelta es proporcional a esa presión. Es la ley de Henry: la cantidad de un gas ideal que se disuelve en un volumen definido de líquido es directamente proporcional a la presión del gas. Si la presión se duplica y la temperatura no cambia, la concentración disuelta también se duplica. La constante depende del gas, del disolvente y de la temperatura. ²

Entre líquidos, miscibles quiere decir que se mezclan en cualquier proporción. Etanol, ácido sulfúrico y etilenglicol son miscibles con el agua. El aceite de motor de dos tiempos es miscible con la gasolina. Lo que se parece, se disuelve: polar con polar, no polar con no polar. Inmiscibles son los que casi no se mezclan, como gasolina, aceite, benceno o tetracloruro de carbono con agua. La solubilidad mutua es muy baja, no cero. Parcialmente miscibles, como bromo y agua, forman dos capas: cada una es una disolución saturada de la otra. ²

En sólidos disueltos en agua, la tendencia general es que la solubilidad suba con la temperatura. El sulfato de cerio va al revés. Si saturas un sólido a temperatura alta y enfrías sin que precipite, te queda una disolución sobresaturada. Un cristal semilla o un golpe mecánico puede disparar la precipitación. ²

La molaridad cuenta moles de soluto por litro de disolución. El porcentaje en masa o en volumen usa masas o volúmenes, sin pasar por el mol.

Ideas clave

• La disolución es homogénea. El disolvente va en mayor concentración y los solutos en menor. Si el disolvente es agua, la disolución es acuosa. ¹
• El soluto disuelto no se asienta. Si hay burbujas de gas en el líquido, esa parte no es disolución. ¹
• Separar soluto y disolvente absorbe energía. La solvatación la libera. El nitrato de amonio se disuelve enfriando. El hidróxido de sodio, soltando calor. ¹
• Saturada: la concentración iguala la solubilidad. Insaturada: queda por debajo. Sobresaturada: la pasa, y no está en equilibrio. ²
• En los gases, más temperatura suele disolver menos y más presión disuelve más. La ley de Henry dice que la concentración es proporcional a la presión del gas. ²
• Líquidos miscibles se mezclan en cualquier proporción. Los inmiscibles casi no. En sólidos, lo usual es más solubilidad en caliente. El sulfato de cerio es la excepción citada. ²

Ejemplos resueltos

El disolvente no es el que "se ve" ni el que es agua

En el aire que respiras el nitrógeno es el disolvente y el oxígeno un soluto, porque el nitrógeno va en mayor concentración. En agua con una pizca de sal, el agua es el disolvente. En una mezcla donde el 2-propanol es el componente mayor y el agua el menor, el disolvente es el alcohol y el agua es el soluto. El nombre de la sustancia no decide. ¹

Fondo de sólido y refresco abierto

Dejas azúcar en agua y, por más que agitas, queda sólido sin disolver. Esa disolución está saturada: la concentración llegó a la solubilidad. Si el sólido se acaba y todavía podrías disolver más, está insaturada. Un refresco recién destapado, con gas de más que el que cabe a la presión nueva, está sobresaturado. No es lo mismo que saturado. ²

Por qué el agua caliente suelta el aire

La solubilidad del oxígeno, el nitrógeno y otros gases en agua baja al subir la temperatura, si la presión se mantiene. Un vaso frío que se entibia forma burbujas pequeñas porque ese aire ya no cabe igual. No hace falta que el agua hierva. ²

Errores comunes

Tomar el agua como disolvente en toda mezcla donde aparezca. En el alcohol de fricción de la tabla, el agua es el soluto. ¹

Llamar disolución a un vaso con burbujas. Esas burbujas dicen que la mezcla no es homogénea. ¹

Usar saturada y concentrada como sinónimos. Concentrada compara cantidades. Saturada compara con la solubilidad. El carbonato de calcio casi no se disuelve: lo poco que cabe puede saturar la disolución y dejarla diluida. ^{1 2}

Creer que calentar siempre mete más sólido. La tendencia es esa, y el sulfato de cerio la rompe. En los gases, calentar saca soluto. ²

Cómo lo pregunta el examen

Te dan una mezcla y piden soluto y disolvente. Gana el que va en mayor concentración. También contrastan saturada, insaturada y sobresaturada, o te preguntan qué le pasa a un gas disuelto si sube la temperatura o si destapas el recipiente. La ley de Henry entra como proporción: misma temperatura, doble presión, doble concentración disuelta.

Resumen

• Disolución: mezcla homogénea. Disolvente: mayor concentración. Soluto: menor. Acuosa: el disolvente es agua. ¹
• El soluto queda disperso y no se asienta. Las burbujas de gas quedan fuera de la disolución. ¹
• Formar la disolución separa partículas, lo que absorbe energía, y solvata, lo que la suelta. ¹
• Solubilidad: máximo en equilibrio. Saturada lo alcanza, insaturada no, sobresaturada lo rebasa. ²
• Un gas se disuelve menos si el líquido se calienta y más si sube su presión. Líquidos parecidos se mezclan. El sulfato de cerio baja su solubilidad al calentar. ²