Lección 4: Soluciones Acuosas

Vicente Cediel

El planeta tierra tiene una edad aproximada de 4600 millones de años, con su masa y densidad pudo retener una atmósfera, que en un principio era conformada por gases como H₂S, CH₄, NH₃ y otros que no permitían la formación de seres vivos.  El enfriamiento de la misma permitió la formación del agua, primero en forma de vapor y millones de años después en forma de agua liquida, los gases tóxicos de alta densidad cayeron a la superficie y se combinaron para formar sustancias menos nocivas.    La tendencia a la complejidad y las condiciones apropiadas de presión y temperatura permitieron la formación de los mares.

El agua representa el 75% de la superficie del planeta: mares, ríos, lagos, lagunas, ciénagas. Incluso el agua subterránea (extraíble mediante pozos)  nutre poblaciones enteras.  Es de color azul, ya que no percibimos el violeta que es el más intenso,  pero éste solo se aprecia cuando se encuentra en grandes cantidades, en proporciones pequeñas es incolora. El calor sobre la superficie de la tierra libera grandes proporciones de agua en forma de vapor, éste se expresa en porcentaje de humedad. El 100 % de humedad es la máxima cantidad de vapor de agua  que puede existir bajo ciertas condiciones de calor y presión. Pereira es una ciudad con una alta proporción de humedad, oscila en el 80%. 

 

“Desde la época de los primeros filósofos griegos se supo que el agua era primordial para la existencia de la vida. La consideraron  elemento formada por una sola clase de átomos,  hasta mediados 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”.  (Enciclopedia ENCARTA 2003)

En los seres vivos el agua representa el mayor porcentaje del peso (entre el 90% y el 50%), en el ser humano representa el 60% (65% en el hombre y  55% en la mujer) este menor porcentaje de agua en la mujer se debe a la mayor presencia de grasa subcutánea. La grasa está compuesta de triacilglicéridos,  grasa neutra que es hidrófoba y que solo contiene un escaso 10% de agua en peso. Por tal motivo, entre mas obesa sea una persona menor será el porcentaje de agua que contiene.

El agua es considerada el solvente universal, incluso en la búsqueda de vida en otros planetas  lo primero que se averigua es la presencia o ausencia de este liquido y si la hay,  la probabilidad de encontrar vida se incrementa varias veces.  El agua presenta unas propiedades bien particulares: alto punto de ebullición, alto punto de fusión, alta constante dieléctrica, alta capacidad para disolver sales y formar iones, bajo peso molecular, alta capacidad para transportar calor.

Sustancia	Fórmula	Punto De fusión (ºC)	Punto de ebullición (ºC)	Capacidad Calorífica (j/g.ºC)	Calor De fusión (j/g)	Calor de vaporización (j/g)
Agua	H2O	0	100	4.18	333	2257
Amoníaco	NH3	-76	-33	4.48	341	1368
Etanol	C2H5OH	-117	78	2.24	104	854
Benceno	C6H6	6	80	1.63	117	395
Tetraclor C	CCl4	-23	77	0.83	17	194
Mercurio	Hg	-39	357	0.14	12	295

 

En la tabla podemos ver que el agua presenta los  mayores puntos de fusión y de ebullición. Si comparamos los pesos moleculares, el peso del agua es   relativamente bajo (18 g/mol), mientras que el del benceno  y el alcohol son altos: 78 g/mol. Estas propiedades peculiares del agua se deben  a la alta participación de los enlaces débiles, especialmente a los puentes de hidrógeno.

Cada molécula del agua forma con sus vecinas en promedio 3.8 enlaces de hidrógeno. Esto le da una gran estabilidad y una alta cohesión molécular que se refleja en los altos puntos de fusión, de ebullición, alta capacidad calórica y un altísimo calor de vaporización: de igual forma, el agua por ser una molécula bipolar, presenta una altísima constante dieléctrica (D = 80). La constante dieléctrica representa la resistencia que ofrece el solvente a la interacción eléctrica entre dos iones, dos iones presentan en el vacío una fuerza electromagnética 80 veces superior a la que presentan en el agua.  Esta propiedad le permite al agua disolver sales, ácidos y bases que presentan en su estructura molécular iones. El NaCl se disuelve en el agua, mientras que en el benceno se precipita.

Una solución es una mezcla homogénea de varios componentes, el que se encuentra en mayor proporción es el solvente y aquellos que se encuentran en menor proporción son los solutos. El aire es una solución gaseosa, el nitrógeno es el solvente; mientras que, el oxígeno, el vapor de agua, el dióxido de carbono, el helio y demás componentes y contaminantes del aire son los solutos. El agua que bebemos es una solución, donde los iones, las sales, el dióxido de carbono, el oxígeno disuelto, etc. son los solutos. Otra propiedad importante del agua es su baja ionización, cuando una molécula de agua choca con otra puede ocurrir que se formen los iones hidroxilo e hidrogenión

H₂O   + H₂O  ↔  H₃O⁺   + OH^-

La constante del producto de ionización del agua es de 10^-14 (Kw = (H₃O⁺)(OH^-)), como ambos iones se encuentran en la misma proporción, teóricamente su concentración será de 10^-7 mol/litro para el ión hidrógeno y el anión hidroxilo. Una forma de expresar esta concentración es logarítmica: pH = - log(H₃O⁺), el pH del agua sería de –log 10^-7  = 7. Esto ocurre teóricamente cuando la concentración de agua es de 55.55 molar,  1000 gramos de agua / litro, el agua se supone que está libre, disponible para sufrir una ionización al azar en cualquier momento, pero cuando se encuentran iones en solución, éstos atrapan agua, por ejemplo el ión sodio atrapa 6 moléculas de agua, al igual que el ión cloro, mientras que el ión calcio atrapa muchas más moléculas de agua por ión, por lo tanto la concentración de agua libre disminuye y la concentración del hidrogenión aumenta, disminuyendo de esta forma el pH. En el citosol de una célula muscular el pH es de 6.8 y este representa la neutralidad, pues la constante de ionización del agua ya no es 14 sino 13.6.     

FORMAS  DE EXPRESIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE UN SOLUTO

Existen múltiples formas para expresar la concentración de un soluto en una solución, utilizaremos como ejemplo las soluciones acuosas, pues son propias de los seres vivos: el citosol de las células es una solución acuosa, el plasma sanguíneo, la orina, el jugo de las frutas y un largo etcétera. Debemos conocer las diferentes formas de expresión de la concentración, al igual que la manera de pasar de un sistema de expresión a otro.

 Como ejemplo tomaremos un ácido: 5.0  gramos de H₂SO₄ disueltos en 95.0 gramos de agua y con una densidad de 1.05 gramos/ mililitro.

1. % . Cuando hablamos del porcentaje de un soluto se entiende como la cantidad en gramos del soluto en 100.0 gramos de solución. Peso de la solución = peso del solvente + peso del soluto; 5.0g (H₂SO₄) + 95g (H₂O) = 100.0g;  esta solución está al 5.0%.
2. % (peso/volumen). Peso en gramos del soluto en 100.0 mililitros de la solución. 5.0 g del soluto en 100.0g de la solución / 1.05 g/ml = 5.0g/ 95.24 ml ; cuántos gramos están en 100.0 ml.  Tenemos 5.25 gramos de H₂SO₄ en 100.0 ml de la solución: 5.24 %(P/V).
3. X. Fracción molar. Entendemos por fracción molar del soluto: el número de moles que hay del soluto divido por el número de moles totales.

Moles del soluto = 5.0 g/ 98.0 g/mol = 0.051 moles

Moles del solvente = 95.0 g / 18.0 g/mol = 5.28 moles

X _H2SO4 = 0.051/5.28 + 0.051 = 0.009567

X_H2O = 5.28/5.331 = 0.990433

X_H2O + X _H2SO4 = 1.000000.

4. MOLARIDAD  (M). Número de moles del soluto presente en un litro de solución. 5.0 gramos del ácido  sulfúrico corresponden a  0.051 moles que hay en 95.24 ml de la solución. Cuántas moles del ácido hay en 1000.0 ml de la solución. Hay 0.535 moles de soluto por litro de solución .[H₂SO₄] = 0.535 M.
5. molalidad, m. Número de moles del soluto por kilogramo de solvente. Esta expresión resulta muy útil y  sencilla cuando el solvente es agua, pues  la densidad del agua la tomamos como 1.00 granos/nililitro y da lo mismo tomar el volumen o los gramos. 0.051 moles del ácido en 95.0 gramos de agua; en 1000.0 granos de agua hay  0.536 moles. .[H₂SO₄] = 0.537 m
6. Normalidad, N. La normalidad es muy usada para expresar la concentración de ácidos, bases y elementos  que sufren oxidación o reducción en algunos fenómenos químicos. El ácido entrega iones hidrógeno o hidrogeniones al medio. La cantidad de ácido que entrega un mol de hidrogeniones al medio  corresponde a un equivalente.

H₂SO₄ +   2H₂O      ↔  2H3O⁺ + SO₄^-2

1mol de H₂SO₄ produce dos moles de hidrogeniones

[H₂SO₄] = 0.535 M.

     

[H3O⁺] = 1.07 M

            La normalidad de este ácido suponiendo que se disocia completamente sería el doble de la molaridad. [H₂SO₄] = 1.07 N

El peso equivalente del ácido sulfúrico sería de 98.0/2 = 49.0 gramos

   49.0 gramos de ácido sulfúrico entrega un mol de hidrogeniones al medio

49.0 gramos de [H₂SO₄] /1.0 litros de solución = 1.0 N.

7. pH potencial de hidrógeno. Es  el logaritmo negativo de la concentración de                                                                                                     hidrogeniones. En otras palabras podemos afirmar que para los ácidos es la normalidad de dicho ácido. pH = -log [H₂SO₄] = -log 1.07 = - 0.294 . Observemos que el pH para los ácidos fuertes pueden ser negativos, o el pH para las bases fuertes pueden ser mayores de 14.0. Por lo general se afirma que el rango de pH de 0 a 14 se utiliza para ácidos fuertes diluidos o para ácidos débiles.

Las unidades de expresión de algunas concentraciones de solutos en sangre se están cambiando; por ejemplo, la concentración de glucosa en sangre se informaba como mg/100ml de plasma o suero. Hoy se expresa en milimoles por litro o milimolar (mM). La concentración normal de glucosa en sangre oscila entre 70.0 mg/dL y 100.0 mg/dL, se debe expresar en mM, así:

PM(glucosa) = 180.0 g/mol

70.0 mg/dL = 700.0 mg/ litro

700.0 mg/180.0 mg/mmol = 3.889mmol/litr = 3.89 mM

1000.0mg/180.0 mg/mmol = 5.55 mM

La concentración de glucosa normal en sangre varía entre 3.89mM y 5.55 mM

1250.0/180.0 = 6.94 mM

Una persona con una concentración de glucosa por encima de 6.94 mM en sangre se debe  considerar como diabética.

Igual ocurre con la concentración de colesterol, lo recomendado es que los niveles de colesterol estén por debajo de 200.0 mg/ dL y son de riesgo cuando aumentan por encima de 240.0 mg/dL.; averigua el peso molécular del colesterol  y transforma estas concentraciones en milimoles/litro o mM. Todas las concentraciones de solutos en sangre se pueden expresar en mM siempre y cuando se conozca su peso molécular.

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS SOLUCIONES

Las propiedades coligativas de las soluciones  son aquellas que dependen de la  concentración del soluto:

Descenso en el punto crioscópico.  El agua a una presión de una atmósfera presenta un punto de fusión de cero (0)  grados centígrados; mientras que  al agregar sal de cocina (NaCl), su punto de fusión disminuye. La disminución la hace de manera constante, proporcional a  la cantidad de moléculas o iones que se encuentren presentes por cada kilogramo de agua. En otras palabras, el descenso en el punto crioscópico es directamente proporcional  a la molalidad  del soluto o solutos presentes.

Para el agua, la presencia de solutos a una concentración de  uno molal, produce un descenso en el punto de congelación  de 1.86 ºC, si la concentración de solutos es de dos molal el punto de congelación sería de –3.72 ºC.   Muchas veces determinando el punto de congelación de una solución en la cual hay presencia de un soluto a una determinada concentración, podemos saber el porcentaje de disociación de dicho soluto. La sal hipotética AB₂ se disocia en los iones A⁺² y 2B^-, si tomamos un mol de dicha sal y la disolvemos en un kilo de agua y determinamos el punto de congelación en –2.25ºC; ¿cuál sería su porcentaje de disociación?

-1.86 ºC : 1.0 molal :: -2.25ºC : X

X = 1.21 molal

AB₂ ↔ A⁺² + 2B^-

1-X ↔X  + 2X

(1-X) + X  +2X = 1 +2X = 1.21

X = 0.205

%X = 20.5

El porcentaje de disociación de dicha sal sería del 20.5 %

Otra propiedad coligativa es el ascenso en el punto de ebullición del solvente, para el agua la constante es de 0.52 ºC; una solución uno molal a una atmósfera de presión, hierve a 100.52ºC.

PRESIÓN OSMÓTICA: La presión osmótica en una solución está en relación directa con la concentración molar del soluto:

Π = MRT

Aquí R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta. Hay una relación formal entre la presión osmótica  y la ecuación de los gases ideales:

PV = nRT

P = (n/V) RT

(n/V) = Π

Una solución 0.02 molar a 25 ºC (298 ºK) presenta una presión osmótica de: 0.02 x 0.082 x 298 = 0.5 atmósferas.

Esta propiedad se utiliza para determinar el peso molécular de biopolímeros, que por lo general son de alto peso molécular y el descenso en el punto de congelación de las soluciones es indeterminable porque sus concentraciones suelen ser muy diluidas; por ejemplo; determinar el la presión osmótica de una solución de almidón de 7.98 gramos en 1.0 litro de solución de almidón, a 25 ºC, sabiendo que el almidón contiene unas dos mil unidades de C₆H₁₀O₅:

La molaridad sería de 2.44 X 10^-4, pues el peso molécular de este polímero sería de 32.400  gramos y M = 7.98 gramos/litro/32.400 gramos/mol; la

Π =  2.44 X 10^-4 mol/litro x 0.085 atm litro/mol ºK x 298 ºK

Π = 0.006 atm = 4.687 mmHg

El descenso en el punto de congelación de esta solución sería imposible de determinar en un laboratorio de bioquímica.

PRESIÓN DE VAPOR DE UNA SOLUCIÓN

Cuando en un recipiente cerrado tenemos un solvente volátil puro, éste presenta una   presión de vapor a una temperatura dada.  Si agregamos un soluto no volátil, la presión de vapor de la solución disminuye. El abatimiento en la presión de vapor es proporcional a la concentración del soluto; por lo tanto, la presión de vapor es otra de las propiedades coligativas.

El químico francés  Francoise Marie Raoult  encontró que el abatimiento en la presión de vapor del solvente era proporcional a la fracción molar del soluto y  tal  relación se denomina Ley de Raoult:

P_A = Pº_A x X_A

Dado que la fracción molar del solvente siempre es menor que la unidad, la presión de la solución   P_A será menor que la presión del solvente puro Pº_A. La fracción molar del solvente y el soluto siempre darán la unidad. X_A + X_B = 1; X_A = 1 - X_B , remplazando en la ecuación de Raoult tenemos:

P_A = Pº_A (1 –X_B)

P_A = Pº_A – Pº_AX_B         (P_A - Pº_A) = Pº_AX_B

ΔP = Pº_AX_B

Ejemplo: La presión de vapor del agua a 25ºC es de 23.8 mmHg, calcule el abatimiento de la presión de vapor cuando se disuelven 6.0 gramos de glucosa (PM = 180.0 gramos/mol) en 50.0 gramos de agua :

X_B = 6.0/180.0 / (6.0/180.0 + 50.0/18.0) = 0.0333/ 2.81 = 0.01185

ΔP = 23.8 mmHg x 0.01185 = 0.282 mmHg : P_A = 23.8 – 0.282 = 23.518 mmHg.