CAPÍTULO 3 / REVISIÓN

MEZCLAS Y SOLUCIONES | ¿qué aprendimos?

Sistemas materiales

En nuestra vida cotidiana entramos en contacto con diversidad de elementos; algunos son sólidos, otros líquidos y otros gaseosos. Si bien parece que todos son diferentes, podemos decir que hay algo que tienen en común: todos están formados por materia. Para estudiar la materia solemos analizar una porción a la que llamamos sistema material. Todo sistema material tiene propiedades generales o extensivas y propiedades específicas o intensivas. Hablamos de “fase” cuando nos referimos a todas aquellas porciones del sistema material que tienen las mismas propiedades intensivas. Por otro lado, los componentes son las sustancias que conforman el sistema material.

Todo el universo visible está formado de materia.

Sistemas homogéneos

Hablamos de sistema homogéneo cuando un sistema material posee las mismas propiedades intensivas en toda su masa. Éste cuenta con una sola fase. Las soluciones son sistemas materiales homogéneos compuestos por uno o más solutos disueltos en un solvente determinado. El soluto es el componente de la solución que se encuentra en menor proporción y se disuelve en el solvente, en tanto, el solvente es el que se encuentra en mayor proporción y tiene la capacidad de disolver el soluto. Las soluciones se pueden clasificar en función de la concentración en insaturadas, saturadas y sobresaturadas. Su concentración puede expresarse cuantitativamente, se establecen diferentes relaciones porcentuales entre las cantidades de sustancias a través de unidades químicas y físicas conocidas como masa (m), volumen (v) y cantidad de sustancia (n).

El agua es el solvente universal.

Sistemas heterogéneos

Un sistema homogéneo cuenta con distintas propiedades intensivas en al menos dos de sus puntos. Un sistema de este tipo tiene dos o más fases. Generalmente, para su separación se utilizan mecanismos físicos y de menor consumo de energía. Existen las mezclas groseras y las mezclas finas o suspensiones. En las primeras los componentes se diferencian fácilmente debido a su gran tamaño, y las suspensiones se forman por una fase sólida con baja solubilidad que se encuentra dispersa en la fase liquida. Las fases son más difíciles de diferenciar debido al ínfimo tamaño de la partícula. Existen diversos métodos de separación de fases, algunos de ellos son: la decantación, la tamización, la filtración y la imantación. Los métodos mecánicos no producen transformaciones en los componentes de la mezcla.

Un sistema heterogéneo fácil de identificar es el del el agua y el aceite.

Agua

El agua es un compuesto químico de vital importancia para los seres vivos. Es la sustancia universal más abundante en la Tierra. Está compuesta por hidrógeno y oxígeno. Nuestro planeta está cubierto en un 70 % por agua. Por otra parte, todas las especies dependen de este líquido vital para la supervivencia. Al igual que el oxígeno, el agua es un elemento de la naturaleza esencial para que todas las formas de vida puedan existir. El agua cuenta con diferentes propiedades que se clasifican en organolépticas y fisicoquímicas. Las primeras son las que percibimos con nuestros sentidos, y las segundas tienen relación con la composición química. El agua es un regulador de temperatura para la mayoría de los seres vivientes, así como también tiene un papel esencial en la regulación de la temperatura atmosférica.

El 70 % de nuestro cuerpo está formado por agua.

Contaminación del agua

La contaminación del agua se produce cuando se introduce un material que altera sus características naturales. El agua contaminada deja de ser apta para el desarrollo de los seres vivos. El mercurio es una fuente natural de contaminación y también los hidrocarburos. Otro agente natural contaminante es el arsénico producido por las actividades volcánicas. El ser humano ha vivido con este tipo de contaminación desde hace miles de años y no es posible evitarla; sin embargo, la contaminación debido a las actividades humanas es mucho mayor. El uso de los fertilizantes en la agricultura, metales pesados en la minería, las aguas residuales de las industrias y los desechos arrojados por el ser humano, ponen en riesgo sanitario al ecosistema del planeta que depende de este importante líquido.

El agua contaminada es cuna de enfermedades.

Transporte activo y transporte pasivo

El transporte celular es el movimiento a través del cual las sustancias entran o salen de las células. La estructura encargada de regular este transporte es la membrana plasmática y, de acuerdo con el gasto o no de energía, se puede dividir en dos tipos: transporte pasivo y transporte activo.  

Transporte activo Transporte pasivo
Definición Proceso de intercambio de sustancias en el que es necesario el uso de energía en forma de adenosin trifosfato (ATP). Proceso de intercambio de sustancia sin gasto energético.
Gradiente de concentración En contra. A favor.
Proteínas involucradas Bombas y proteínas transportadoras. Proteínas transportadoras y canales transportadores.
Gasto de ATP Sí. No.
Tipos  Primario y secundario. Difusión simple, difusión facilitada y ósmosis.
Ejemplo Acción de la bomba sodio potasio. Transporte de agua a favor de un gradiente de concentración de solutos.

 

 

Formas de expresar la concentración: Tanto por ciento de masa/masa

Expresar la concentración es muy importante porque permite conocer de forma cuantitativa las características de una sustancia y de esta forma se puede evaluar, por ejemplo, la calidad de un producto en una fábrica o conocer su impacto ambiental. En el siguiente artículo se muestran los cálculos de concentración en porcentaje masa/masa.

Términos básicos

Solución: sistema homogéneo, es decir, que presenta las mismas propiedades fisicoquímicas en toda su masa. Las soluciones se encuentran formadas por dos componentes denominados solvente y soluto.

Solvente: es la cantidad que generalmente se encuentra en mayor proporción dentro de la solución y contiene al soluto. Un ejemplo lo representa una solución de agua y azúcar, el solvente corresponde al agua y el azúcar al soluto.

Los términos solvente y solución también son llamados algunas disolvente y disolución.

Soluto: es la sustancia disuelta en otra y que generalmente se encuentra en menor proporción respecto al solvente.

La palabra soluto proviene de la palabra latina solutus que significa “disuelto”.

¿Sabías qué...?
Es posible encontrar soluciones con dos o más solutos. Este principio también se puede aplicar para los gases y los sólidos.

Tanto por ciento masa/masa (%m/m)

La concentración es la relación entre la cantidad de soluto y solvente, y puede expresarse de diferentes formas. Una de éstas es tanto por ciento en masa o también denominada tanto por ciento en peso o riqueza.

La masa no cambia debido a variaciones de presión, temperatura o fuerzas gravitatorias, es por ello que la concentración % m/m proporciona gran exactitud en los cálculos.

El porcentaje masa-masa se define como la unidad física que determina la concentración en gramos (g) de soluto contenidos en 100 gramos de solución. De esta forma, si una solución tiene una concentración de 20 % en m/m, quiere decir que en 100 gramos de solución se encuentran disueltos 20 gramos de soluto y el resto, los 80 gramos corresponden a la masa del solvente. De este principio se deduce que a partir de la sumatoria de los gramos de soluto y de los gramos de solvente se obtienen los gramos totales de la solución.

La fórmula para calcular el % m/m es:

La fórmula para calcular los gramos de solución es:

Dónde:

(%m/m): concentración masa-masa.

msol: gramos de la solución.

msto: gramos del soluto.

mste: gramos del solvente.

La concentración masa-masa puede expresarse en cualquier unidad de masa, sin embargo, es importante considerar que se debe usar la misma unidad durante todos los cálculos. Usualmente, en la práctica se emplea la unidad de gramo debido a que se trabaja con pequeñas cantidades.

Estudiemos ahora algunas situaciones en las que se puedan usar los cálculos de concentración de masa-masa.

  1. Un científico disuelve 10 g de NaOH en 490 g de agua. ¿Cuál es la concentración de la solución expresada en masa-masa?

Datos:

 = 10 g

 = 490 g

Se calcula la masa de la solución:

Una vez conocida la masa de la solución se puede aplicar la ecuación para el cálculo de la concentración:

La concentración se expresa en porcentaje por lo tanto es adimensional (sin unidades).
  1. Una fábrica desea preparar 250 g de solución acuosa de bicarbonato de sodio (NaHCO3) al 3 % m/m, ¿qué cantidad de bicarbonato se debe usar para preparar una solución de dicha concentración? ¿cuántos gramos de agua se necesitan?

Datos:

 = 250 g

 = ?

= 3 %

 = ?

  1. Calculo de la cantidad de bicarbonato de sodio.

De la ecuación principal de concentración se pueden despejar los gramos de soluto que corresponden a los gramos de bicarbonato de sodio requeridos:

Se sustituyen en la fórmula los valores conocidos y se despeja :

Por lo tanto, para obtener 250 g de solución acuosa al 3 % m/m, se deben agregar 7,5 g de bicarbonato de sodio.

  1. Calculo de los gramos de agua.

El agua es el solvente de la solución, por lo tanto, lo que se quiere calcular es la masa del solvente o . A partir de la ecuación de masa de solución se puede despejar dicho valor ya que los demás datos son conocidos:

Se sustituyen los valores conocidos y se despeja :

De esta forma, la cantidad de agua que necesita para producir la solución es de 242,5 g.

Recuerda prestar atención en los signos al momento de despejar ecuaciones.
  1. El tanto por ciento en masa de yoduro de potasio es de 3 % en una solución. ¿Cuántos gramos de yoduro de potasio hay en 30 g de solución?

Datos:

 = 3 %

 = 30 g

 = ?

Se sustituyen todos los valores conocidos en la ecuación de concentración y se despeja :

Otras formas de expresar concentración

Existen otras formas de expresar concentración además del porcentaje , como los porcentajes y . En el se define como gramos de soluto disueltos en 100 mililitros de solución y el por su parte se define como los mililitros de soluto disueltos en 100 mililitros de solución.