Soluto, solvente y solubilidad
Lo que vas a aprender
- Identificar el soluto y el solvente de una solución, y calcular la masa de la solución como la suma de los dos.
- Leer en una curva de solubilidad cuánto soluto se disuelve como máximo a una temperatura dada.
- Clasificar una solución como insaturada, saturada o sobresaturada comparando lo disuelto con la solubilidad.
- Predecir con la regla «lo semejante disuelve lo semejante» si dos sustancias se mezclan.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Cuando endulzas un jugo, el azúcar desaparece de la vista pero sigue ahí: se disolvió. Si sigues echando cucharadas, llega un momento en que el azúcar ya no se disuelve y se queda en el fondo del vaso. Si calientas un poco el agua, a veces vuelve a desaparecer. Esas tres observaciones caseras son el tema de esta lección.
Las soluciones están en casi todo: el agua de la llave, el suero que se prepara en casa, el aire que respiras, el vinagre de la cocina. Saber cuánto soluto admite un solvente, y cómo cambia eso con la temperatura, sirve para preparar mezclas sin desperdiciar material, para obtener cristales puros en un laboratorio y para entender por qué ciertas manchas salen con agua y otras no.
Antes de empezar necesitas recordar qué es una mezcla homogénea, cómo se lee un punto en una gráfica cartesiana y que la masa se conserva cuando mezclas dos sustancias.
Explicación
Soluto y solvente
Una solución es una mezcla homogénea: no puedes distinguir sus componentes ni con una lupa. Tiene por lo menos dos partes. El soluto es la sustancia que se disuelve, y el solvente es la que la disuelve. Por costumbre, el solvente es el componente que está en mayor cantidad. Cuando el solvente es agua, la solución se llama acuosa.
En agua con sal, la sal es el soluto y el agua el solvente. No todas las soluciones son líquidas: el aire es una solución de gases, y algunas aleaciones metálicas son soluciones sólidas.
Como en toda mezcla, la masa se conserva. La masa de la solución es la masa del soluto más la del solvente:
$$m_{\text{solución}} = m_{\text{soluto}} + m_{\text{solvente}}$$
Con los volúmenes no pasa lo mismo: al mezclar dos líquidos el volumen final puede ser un poco menor o un poco mayor que la suma, porque las partículas de uno se acomodan entre las del otro. Por eso las masas se suman sin dudar, y los volúmenes solo de forma aproximada.
La solubilidad
Un solvente no admite soluto sin límite. La solubilidad de una sustancia es la cantidad máxima que se disuelve en una cantidad fija de solvente a una temperatura dada. Para sólidos en agua se suele dar en gramos de soluto por cada 100 g de agua. Si en 100 g de agua se disuelven como máximo 38 g de una sustancia, en 200 g de agua se disuelve el doble y en 50 g la mitad: la cantidad máxima es proporcional a la cantidad de agua.
La solubilidad depende de la temperatura. En la mayoría de los sólidos aumenta al calentar, aunque hay excepciones. En los gases pasa lo contrario: un gas se disuelve peor en agua caliente, y por eso una bebida con gas pierde las burbujas más rápido cuando está tibia.
La gráfica de la solubilidad contra la temperatura se llama curva de solubilidad. La de la figura es de una sustancia inventada, que llamaremos X, y se dibujó con la expresión $S = 10 + \tfrac{T}{2} + \tfrac{T^2}{200}$, con $T$ en grados Celsius y $S$ en gramos por cada 100 g de agua. Las sustancias reales tienen curvas parecidas, pero sus valores se leen en tablas medidas, no en una fórmula.
Curva de solubilidad de la sustancia X, inventada para esta lección. El eje horizontal es la temperatura, en °C, y el vertical los gramos de X que se disuelven como máximo en 100 g de agua. Los puntos marcados están sobre la curva.
Insaturada, saturada y sobresaturada
Compara lo que tiene disuelto una solución con lo que admite a su temperatura:
- Si tiene menos soluto que la solubilidad, es insaturada: todavía le cabe más.
- Si tiene justo la solubilidad, es saturada. Si le echas más soluto, ese exceso se queda sin disolver en el fondo.
- Si tiene más soluto disuelto que la solubilidad, es sobresaturada. Es un estado inestable: se consigue, a veces, enfriando despacio y sin sacudir una solución saturada en caliente. Basta un cristalito o un golpe para que el exceso cristalice de repente.
En la curva, un punto debajo de la línea es una solución insaturada, un punto sobre la línea es saturada y un punto encima de la línea, si no cristaliza, es sobresaturada.
Cuando una solución saturada se enfría y el exceso sí cristaliza, la masa de cristales que aparece, por cada 100 g de agua, es la diferencia entre la solubilidad a la temperatura alta y la solubilidad a la baja; con otra cantidad de agua, esa diferencia cambia en proporción. Así se purifican muchos sólidos en el laboratorio: se disuelven en caliente, se enfrían y se recogen los cristales.
Un cuidado con las palabras: diluida y concentrada describen si hay poco o mucho soluto; insaturada, saturada y sobresaturada dicen cómo está lo disuelto frente al límite. Son dos preguntas distintas: una solución puede estar saturada y tener poco soluto, si la sustancia es poco soluble, y puede ser concentrada y seguir insaturada, si la sustancia es muy soluble.
Lo semejante disuelve lo semejante
¿Por qué la sal se disuelve en agua y el aceite no? El agua es una sustancia polar: sus moléculas tienen una zona con un poco de carga positiva y otra con un poco de carga negativa. Esas zonas atraen a los iones de la sal y a las moléculas polares del azúcar, y las separan unas de otras. El aceite es no polar: el agua no lo atrae lo suficiente, y por eso forma una capa aparte.
La regla práctica es «lo semejante disuelve lo semejante»: los solventes polares disuelven solutos polares o iónicos, y los solventes no polares disuelven solutos no polares. Por eso una mancha de grasa no sale con agua sola y sí con un solvente no polar, o con jabón, que tiene una parte de cada clase.
Ejemplo resuelto
Leer la curva y cambiar la cantidad de agua
Con la curva de la sustancia X, ¿cuántos gramos de X se disuelven como máximo en 250 g de agua a 40 °C?
Ver la solución paso a paso
Primero leemos la solubilidad a 40 °C, que es la que da la curva para 100 g de agua. Con la expresión de la curva:
$$10 + \frac{40}{2} + \frac{40^{2}}{200}$$
Las tres partes valen 10, 20 y 8, así que en 100 g de agua caben como máximo:
$$38$$
En 250 g de agua cabe proporcionalmente más: 250 g de agua son 2,5 veces 100 g.
$$\frac{38 \cdot 250}{100}$$
Hacemos la cuenta:
$$95$$
Respuesta: En 250 g de agua a 40 °C se disuelven como máximo 95 g de X.
Ejemplo resuelto
¿Insaturada o saturada?
A 60 °C se disuelven 45 g de X en 100 g de agua y no queda sólido. ¿Qué clase de solución es, y cuántos gramos más de X se le podrían disolver a esa temperatura?
Ver la solución paso a paso
La solubilidad de X a 60 °C, en 100 g de agua, es:
$$10 + \frac{60}{2} + \frac{60^{2}}{200}$$
que da:
$$58$$
La solución tiene menos soluto que el máximo:
$$45 < 58$$
Por eso es insaturada. Lo que le falta para quedar saturada es la diferencia:
$$58 - 45$$
que es:
$$13$$
Respuesta: Es una solución insaturada, y todavía se le pueden disolver 13 g de X a 60 °C.
Ejemplo resuelto
Los cristales que aparecen al enfriar
Una solución saturada de X a 80 °C, preparada con 100 g de agua, se enfría hasta 20 °C y el exceso cristaliza. ¿Cuántos gramos de cristales aparecen?
Ver la solución paso a paso
A 80 °C la solución saturada tiene disuelto el máximo que admite; a 20 °C solo puede quedar disuelto el máximo de esa temperatura. Lo que cristaliza es la resta:
$$\left(10 + \frac{80}{2} + \frac{80^{2}}{200}\right) - \left(10 + \frac{20}{2} + \frac{20^{2}}{200}\right)$$
Los dos paréntesis valen 82 y 22:
$$82 - 22$$
Restamos:
$$60$$
La solución que queda a 20 °C sigue saturada: tiene sus 22 g disueltos y los cristales en el fondo.
Respuesta: Aparecen 60 g de cristales de X.
Práctica
Según la curva de la sustancia X, ¿cuántos gramos de X se disuelven como máximo en 100 g de agua a 20 °C?
En la curva, el punto de 20 °C está a la altura de 22: esa es la solubilidad, en gramos por cada 100 g de agua.
A 80 °C, ¿cuántos gramos de X se disuelven como máximo en 50 g de agua?
La curva da 82 g por cada 100 g de agua. En 50 g de agua, que es la mitad, cabe la mitad: 41 g. Si sale 164 se multiplicó por 2 en vez de dividir.
A 60 °C se disuelven 50 g de X en 100 g de agua. ¿Verdadero o falso? A esa temperatura todavía se pueden disolver más gramos de X en esa solución.
A 60 °C la solubilidad es 58 g en 100 g de agua. Con 50 g disueltos la solución es insaturada: le caben 8 g más.
Una solución saturada de X a 80 °C, con 100 g de agua, se enfría hasta 40 °C y el exceso cristaliza. ¿Cuántos gramos de X cristalizan?
A 80 °C había 82 g disueltos y a 40 °C solo pueden quedar 38 g. Cristalizan 82 − 38 = 44 g.
¿Cuántos gramos de agua se necesitan, como mínimo, para disolver 76 g de X a 40 °C?
A 40 °C caben 38 g en cada 100 g de agua. 76 g es el doble de 38 g, así que hace falta el doble de agua: 200 g.
¿A qué temperatura, en °C, la solubilidad de X es de 58 g en 100 g de agua?
Se busca en el eje vertical la altura 58 y se baja hasta el eje de la temperatura: 60 °C. La opción 58 confunde la solubilidad con la temperatura.
¿Verdadero o falso? Al pasar de 20 °C a 60 °C, la solubilidad de X aumenta a más del doble.
A 20 °C la solubilidad es 22 g y a 60 °C es 58 g. El doble de 22 es 44, y 58 es más que 44.
Se disuelven por completo 22 g de X en 100 g de agua. ¿Cuál es la masa de la solución, en gramos?
La masa se conserva: la solución pesa lo que el soluto más el solvente, 22 + 100 = 122 g.
Según la regla «lo semejante disuelve lo semejante», ¿cuál de estas sustancias se disuelve mejor en agua, que es un solvente polar?
El azúcar está formado por moléculas polares, y el agua disuelve bien los solutos polares o iónicos. El aceite, la parafina y la grasa son no polares y forman una fase aparte.
Una solución tiene disuelto más soluto del que admite a su temperatura, y al echarle un cristalito el exceso cristaliza de golpe. ¿Qué clase de solución era?
Tener más soluto disuelto que la solubilidad es estar sobresaturada, un estado inestable. Una saturada tiene justo el máximo y no cristaliza al echarle un cristal: el cristal se queda en el fondo sin disolverse.
Reto
El candado de la sustancia X.
Cada pista da un dígito. Usa la curva de solubilidad de la sustancia X.
Reto
Une cada palabra con lo que significa.
Cada ficha de la izquierda tiene una sola pareja a la derecha.
Cierre
En resumen
Una solución es una mezcla homogénea de un soluto, que se disuelve, y un solvente, que lo disuelve; la masa de la solución es la suma de las dos masas.
La solubilidad es la cantidad máxima de soluto que se disuelve en una cantidad dada de solvente a cierta temperatura; con el doble de solvente se disuelve el doble de soluto.
En la mayoría de los sólidos la solubilidad aumenta con la temperatura; en los gases, disminuye.
Una solución es insaturada si tiene menos soluto que la solubilidad, saturada si tiene justo la solubilidad y sobresaturada si tiene más; diluida y concentrada dicen otra cosa, si hay poco o mucho soluto.
Lo semejante disuelve lo semejante, y al enfriar una solución saturada cristaliza, por cada 100 g de agua, la diferencia entre las dos solubilidades.
Vocabulario
- Solución
Mezcla homogénea de dos o más sustancias: a simple vista y al microscopio común se ve una sola fase.
- Soluto
La sustancia que se disuelve. En general es la que está en menor cantidad.
- Solvente
La sustancia que disuelve al soluto. En general es la que está en mayor cantidad; en las soluciones acuosas es el agua.
- Solubilidad
La cantidad máxima de soluto que se disuelve en una cantidad dada de solvente a cierta temperatura. Se suele dar en gramos de soluto por cada 100 g de agua.
- Curva de solubilidad
Gráfica de la solubilidad de una sustancia contra la temperatura.
- Solución insaturada
La que tiene disuelto menos soluto del máximo que admite a esa temperatura: todavía le cabe más.
- Solución saturada
La que tiene disuelta justo la cantidad máxima de soluto que admite a esa temperatura.
- Solución diluida o concentrada
La que tiene poco o mucho soluto en relación con la solución. No dice si se llegó al límite de la solubilidad.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Disuelva cucharadas de azúcar en un vaso con poca agua fría hasta que quede sólido en el fondo, y pregunte qué pasaría si calentara el vaso.
- Explicación · 20 min — Soluto, solvente y masa de la solución; la solubilidad y la curva de la sustancia X; las tres clases de solución y la regla de lo semejante. Resuelva los tres ejemplos señalando en la curva cada lectura.
- Práctica · 15 min — Preguntas y retos en parejas. Pida que, antes de calcular, marquen el punto en la curva y digan si queda encima, sobre o debajo de la línea.
- Cierre · 5 min — Que cada estudiante dibuje una curva de solubilidad cualquiera y marque un punto de cada clase de solución.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué una gaseosa tibia pierde el gas más rápido que una fría?
- Si una solución está saturada, ¿tiene que tener mucho soluto? Den un caso en que no.
- ¿Por qué la masa de la solución sí es la suma de las masas, pero el volumen no siempre es la suma de los volúmenes?
Errores típicos
- Leer la solubilidad de la curva y olvidar que vale para 100 g de agua, no para la cantidad de agua del problema. Pida que escriban siempre la unidad completa, «g por cada 100 g de agua», y que digan si su cantidad de agua es mayor o menor que 100 g.
- Confundir diluida con insaturada y concentrada con saturada. Muestre que una sustancia muy poco soluble da una solución saturada con muy poco soluto.
- Creer que el soluto desaparece al disolverse y que la masa de la solución es solo la del agua. Pese en el salón un vaso con agua, el azúcar aparte y el vaso después de disolver.
- Creer que todo se disuelve mejor en caliente, también los gases. Contraste el azúcar en agua caliente con la gaseosa tibia.
Tarea sugerida
Con la curva de la sustancia X, hallar cuántos gramos de X se disuelven como máximo en 300 g de agua a 20 °C, y cuántos gramos cristalizan si una solución saturada a 100 °C con 100 g de agua se enfría hasta 60 °C. Explicar por escrito, con la regla de lo semejante, por qué el agua sola no quita una mancha de aceite.