Preparación y Propiedades de las Disoluciones

El estudio de las disoluciones es esencial para diversas áreas científicas y de la salud. Esta actividad de laboratorio pertenece al curso de Química General y Orgánica para estudiantes de Enfermería y Kinesiología en la Universidad de Tarapacá.

Los objetivos de este laboratorio incluyen aplicar normas de conducta en el laboratorio, utilizar correctamente equipos de medición, preparar soluciones acuosas a partir de sólidos y por dilución, y observar los factores que afectan la solubilidad.

💡 Recuerda que las habilidades que desarrollarás en este laboratorio son fundamentales para tu futuro profesional en el área de la salud, donde prepararás soluciones para tratamientos y procedimientos clínicos.

Las disoluciones son mezclas homogéneas compuestas por uno o más solutos (fase dispersa) y uno o más disolventes (fase dispersante). Cuando el disolvente es agua, se denominan disoluciones acuosas, las cuales son particularmente importantes en el ámbito biomédico.

Tipos de Disoluciones y Conceptos Básicos

Contrario a lo que muchos piensan, las disoluciones no son exclusivamente líquidas. Pueden existir en fase sólida, líquida o gaseosa. En una disolución, la sustancia en menor proporción se denomina soluto, mientras que la sustancia en mayor proporción es el disolvente.

Las disoluciones se clasifican según el estado físico de sus componentes. Por ejemplo:

• Líquidas: NaCl en agua (salmuera), ácido acético en agua (vinagre)
• Sólidas: Zinc en cobre (latón), estaño en cobre (bronce)
• Gaseosas: Gases como metanotiol en propano (gas doméstico), oxígeno en nitrógeno (aire)

La solubilidad es la capacidad de una sustancia para disolverse en otra. Una disolución puede estar:

• Insaturada: Contiene menos soluto del que puede disolver
• Saturada: Contiene la máxima cantidad de soluto que puede disolverse
• Sobresaturada: Contiene más soluto que el que normalmente puede disolverse (estado inestable)

💡 Piensa en la solubilidad como la "capacidad de hospedaje" de un disolvente. Así como un hotel tiene un límite de huéspedes, cada disolvente tiene un límite de soluto que puede aceptar.

Los factores que afectan la solubilidad incluyen la naturaleza del soluto y solvente, la temperatura y la presión. La regla básica es: "lo semejante disuelve lo semejante" - sustancias polares disuelven solutos polares, y sustancias apolares disuelven solutos apolares.

Factores que Afectan la Solubilidad

La solubilidad depende principalmente de tres factores clave que debes comprender para predecir y controlar las disoluciones:

1. Naturaleza del soluto y solvente La solubilidad es mayor entre sustancias con propiedades eléctricas similares. El agua, siendo polar, disuelve eficazmente:

• Compuestos polares (como alcoholes)
• Sales inorgánicas (como el NaCl)

Por el contrario, solventes apolares como la gasolina disuelven bien:

• Aceites
• Compuestos orgánicos apolares (benceno, tetracloruro de carbono)

2. Efecto de la temperatura Para la mayoría de los solutos iónicos en soluciones acuosas:

• Al aumentar la temperatura ↑, la solubilidad aumenta ↑
• Para gases en líquidos ocurre lo contrario: al aumentar la temperatura ↑, la solubilidad disminuye ↓

💡 Este principio explica por qué las bebidas gaseosas pierden su gas (CO₂) más rápidamente cuando están calientes que cuando están frías.

3. Efecto de la presión La presión afecta principalmente la solubilidad de gases en líquidos:

• Mayor presión ↑, mayor solubilidad ↑
• Menor presión ↓, menor solubilidad ↓

Esta tabla muestra los diferentes tipos de soluciones según estados físicos:

Unidades de Concentración: Porcentaje

La concentración de una disolución expresa la cantidad de soluto disuelta en una cantidad determinada de disolvente o de disolución. Existen diferentes formas de expresarla:

Porcentaje masa/volumen $$ Esta unidad indica los gramos de soluto contenidos en 100 mililitros de disolución.

$\text{Porcentaje masa/volumen} = \frac{\text{masa de soluto (g)}}{\text{volumen de solución (mL)}} \times 100$

Por ejemplo, una solución al 5% p/v contiene 5 gramos de soluto por cada 100 mL de solución.

Porcentaje volumen/volumen $$ Esta unidad indica los mililitros de soluto contenidos en 100 mililitros de disolución.

$\text{Porcentaje volumen/volumen} = \frac{\text{volumen de soluto (mL)}}{\text{volumen de solución (mL)}} \times 100$

Por ejemplo, una solución al 70% v/v de alcohol contiene 70 mL de alcohol por cada 100 mL de solución.

💡 El suero fisiológico $0,9$ es un ejemplo perfecto de concentración porcentual en medicina: contiene 0,9 gramos de NaCl por cada 100 mL de solución.

Estas unidades de concentración son especialmente útiles en el ámbito clínico, donde se utilizan frecuentemente para expresar la concentración de medicamentos y soluciones terapéuticas.

Unidades de Concentración: Molaridad y Osmolaridad

Molaridad (M) Esta unidad química indica los moles de soluto que contiene un litro (1000 mL) de solución.

$\text{Molaridad} = \frac{\text{moles de soluto (mol)}}{\text{volumen de solución (L)}}$

Por ejemplo, una solución 2 M de NaCl contiene 2 moles de NaCl por cada litro de solución.

Osmol y partículas osmóticamente activas Un osmol es la unidad que mide las partículas que afectan individualmente la presión osmótica. Es fundamental en diálisis y terapias con fluidos.

Cuando un compuesto se disuelve, puede separarse en iones:

• NaCl → Na⁺ + Cl⁻ (1 mol genera 2 osmol)
• CaCl₂ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ (1 mol genera 3 osmol)

Osmolaridad (OsM) Indica el número de osmoles de soluto contenidos en un litro de solución.

$\text{Osmolaridad (OsM)} = \frac{\text{número de osmoles de soluto}}{\text{volumen de solución (L)}}$

Osmolalidad (Osm) Indica el número de osmoles de soluto contenidos en un kilogramo de disolvente.

$\text{Osmolalidad (Osm)} = \frac{\text{número de osmoles de soluto}}{\text{masa de solvente (kg)}}$

💡 En el cuerpo humano, mantener la osmolaridad correcta es vital. Las soluciones intravenosas como el suero fisiológico están formuladas para tener una osmolaridad similar a la de la sangre $~290 mOsm/L$, siendo isotónicas.

Estas unidades son especialmente importantes en medicina para evitar problemas como la hemólisis o crenación de células sanguíneas al administrar soluciones.

Preparación de Soluciones

Para preparar soluciones en el laboratorio, es fundamental seguir un procedimiento preciso que asegure la concentración correcta. La actividad experimental se enfoca en preparar tres tipos de soluciones de NaCl:

Solución diluida

• Se disuelven 1,36 gramos de NaCl en 150 mL de agua destilada
• Esta concentración está por debajo del límite de solubilidad

Solución concentrada

• Se disuelven 37,5 gramos de NaCl en 150 mL de agua destilada
• Esta solución tiene una alta concentración pero aún no está saturada

Solución saturada

• Se disuelven 53,85 gramos de NaCl en 150 mL de agua destilada
• Esta cantidad está en el límite de solubilidad del NaCl $35,9 g/100mL$

Técnica correcta de disolución:

1. Pesar con precisión la cantidad de soluto requerida
2. Colocar el soluto en un vaso de precipitado
3. Añadir gradualmente el disolvente mientras se agita con una varilla de agitación
4. Asegurar la disolución completa antes de medir el volumen final

💡 La granulometría (tamaño de partícula) afecta la velocidad de disolución. Los cristales finos de NaCl se disolverán más rápidamente que los cristales gruesos debido a su mayor superficie de contacto con el disolvente.

La solubilidad del NaCl a temperatura ambiente es 35,9 g/100 mL, lo que explica por qué la solución saturada requiere una cantidad tan específica de soluto.

Determinación de la Densidad de Soluciones

La densidad es una propiedad física fundamental que relaciona la masa y el volumen de una sustancia. Para las soluciones, la densidad varía según la concentración y es un parámetro útil para caracterizarlas.

Procedimiento para medir la densidad:

1. Medir la masa de un matraz aforado vacío con su tapa
2. Ambientar el matraz con la solución a medir
3. Llenar el matraz exactamente hasta la marca de aforo con la solución
4. Homogeneizar la solución agitando el matraz tapado
5. Limpiar y secar el exterior del matraz
6. Medir la masa del matraz con la solución
7. Calcular la densidad mediante la fórmula: $d = \frac{m}{V}$

Esta determinación se realiza para cada una de las tres soluciones preparadas anteriormente (diluida, concentrada y saturada).

💡 La densidad de una solución aumenta con la concentración de soluto. Este principio es la base de la determinación de la concentración de sustancias mediante densímetros, como el alcoholímetro usado para medir el contenido de alcohol.

Los resultados obtenidos permiten comparar cómo la concentración de NaCl afecta la densidad de la solución. Típicamente, encontrarás que la densidad sigue este patrón: Solución saturada > Solución concentrada > Solución diluida > Agua pura

Esta información es útil para verificar la correcta preparación de las soluciones y para cálculos posteriores de concentración.

Expresión de Concentración en Diversas Unidades

Una vez preparadas las soluciones y determinada su densidad, podemos expresar su concentración en diferentes unidades, lo cual es fundamental para aplicaciones científicas y clínicas.

Para cada solución (diluida, concentrada y saturada), se debe completar una tabla con los siguientes datos:

Datos a registrar:

• Masa del soluto (NaCl)
• Volumen del soluto
• Número de moles del soluto
• Masa del solvente (H₂O)
• Volumen del solvente
• Masa de la solución
• Volumen de la solución

Cálculo de concentraciones: Con estos datos, se pueden calcular todas las expresiones de concentración:

1. Porcentaje masa/masa $$: gramos de soluto por 100 gramos de solución
2. Porcentaje masa/volumen $$: gramos de soluto por 100 mL de solución
3. Porcentaje volumen/volumen $$: mL de soluto por 100 mL de solución
4. Molaridad (M): moles de soluto por litro de solución
5. Osmolaridad (OsM): osmoles por litro de solución $recuerda que para NaCl, 1 mol = 2 osmol$

💡 En el ámbito clínico, es común encontrar concentraciones expresadas en distintas unidades según la aplicación. Por ejemplo, la glucosa en suero se expresa en mg/dL, mientras que los electrolitos como el Na⁺ suelen expresarse en mEq/L.

Este ejercicio te permite comprender la relación entre las diferentes formas de expresar concentración y cómo convertir entre ellas, habilidad esencial para profesionales de la salud.

Preparación de Soluciones por Dilución y Aplicaciones Clínicas

La dilución es un método común para preparar soluciones menos concentradas a partir de soluciones más concentradas. Se basa en el principio de que la cantidad de soluto se mantiene constante:

$C_1 \times V_1 = C_2 \times V_2$

Donde:

• $C_1$ = concentración inicial
• $V_1$ = volumen inicial
• $C_2$ = concentración final
• $V_2$ = volumen final

Procedimiento para dilución:

1. Calcular el volumen necesario de solución concentrada
2. Transferir exactamente ese volumen a un matraz aforado
3. Añadir agua destilada hasta el aforo
4. Homogeneizar la solución

Aplicaciones clínicas importantes: Las soluciones que deberás preparar en el ámbito clínico incluyen:

1. Bicarbonato de sodio 0,2M: Usado como amortiguador en situaciones de acidosis metabólica

2. Suero fisiológico $0,9$: La solución salina isotónica más común, usada para:

   • Hidratación intravenosa
   • Dilución de medicamentos
   • Lavado de heridas

3. Suero glucosalino $5$: Proporciona:

   • Hidratación
   • Aporte calórico (glucosa)
   • Electrolitos (NaCl)

4. Solución Ringer: Contiene varios electrolitos (NaCl, KCl, CaCl₂) en concentraciones similares a las del plasma sanguíneo

💡 La precisión en la preparación de estas soluciones es crítica. Un error en la concentración de una solución intravenosa puede tener consecuencias graves para el paciente, desde desequilibrios electrolíticos hasta hemólisis.

Estos conocimientos te serán útiles tanto en el laboratorio como en tu práctica clínica futura, donde deberás comprender la composición y propiedades de las diferentes soluciones terapéuticas.