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Cómo son las disoluciones a nivel molecular

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Cómo son las disoluciones a nivel molecular

 

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A causa de su gran polaridad eléctrica, el agua es un excelente solvente de compuestos covalentes polares y iónicos, ya que las moléculas de agua atraen electrostáticamente tanto a iones como a compuestos covalentes polares, y de esta manera forman disoluciones. Por ejemplo, un compuesto iónico como el Cloruro de Sodio (NaCl), normalmente llamado sal común, es altamente soluble en agua (H2O) debido a la fuerte atracción electrostática entre el ion positivo Na+ y el polo negativo del agua (O) por un lado, y entre el ion negativo Cl- y los polos positivos del agua (H) por otro. De esta manera, cuando se mezcla sal con agua, cada uno de sus iones Na+ y Cl- es atraído y rodeado por moléculas de agua. Exactamente de esto se trata una disolución: que las moléculas o iones de un soluto sean atraídas y rodeadas por las moléculas de un solvente.

Cuando las moléculas de un solvente (por ejemplo agua) rodean a las moléculas o iones de un soluto (por ejemplo Cloruro de Sodio) se dice que ocurre la solvatación de las moléculas o iones del soluto. En el ejemplo anterior, las moléculas de agua solvatan a los iones Na+ y Cl-.

Cuando se disuelve un compuesto iónico (soluto) en un solvente polar, las moléculas polares del solvente ejercen una gran atracción sobre los iones con carga eléctrica. Dado que las fuerzas de atracción electrostática entre los iones del soluto y las moléculas del solvente son muy fuertes, los iones del soluto se separan, son rodeados por las moléculas de solvente y se dispersan en la solución, o dicho con otras palabras, se disuelven. Este tipo de interacciones intermoleculares entre moléculas de un solvente polar y iones de un soluto se denominan interacciones ion-dipolo. Se llaman así porque las fuerzas de atracción ocurren entre dipolos de moléculas polares y iones.

La mayoría de los compuestos iónicos son solubles en agua, aunque hay varias excepciones. Estas excepciones se dan cuando las fuerzas de atracción entre los iones de un compuesto iónico son demasiado altas y las fuerzas de atracción entre los iones y las moléculas de agua no son suficientes para separarlos. Ej: AgBr, AgCl2.

En química, la disolución de un compuesto iónico sólido en agua se representa de la siguiente manera.

Para el NaCl:
NaCl(s) Na+(ac) + Cl-(ac)
donde NaCl(s) se refiere a Cloruro de Sodio en estado sólido, mientras que Na+(ac) + Cl-(ac) a iones Sodio y Cloro disueltos en agua

 
Descripción del proceso de disolución de sal común en agua

  1. Se mezcla sal (Cloruro de Sodio - NaCl) con agua (H2O).
     
     
  2. Vista de un sector del recipiente a nivel molecular. En la imagen se observan las moléculas de agua (H2O). Las moléculas de agua son altamente polares. Cada molécula de agua está compuesta por 1 átomo de Oxígeno (O) y 2 átomos de Hidrógeno (H) que forman dos enlaces covalentes polares de tipo H-O en los que el Hidrógeno se comporta como polo positivo y el Oxígeno como polo negativo. Por lo tanto, cada molécula de agua posee 2 polos positivos y 1 polo negativo. A temperatura ambiente el agua se encuentra en estado líquido.
     
     
  3. En estado sólido, los átomos que componen a la sal común (NaCl), Sodio (Na) y (Cl) están acomodados en formato cúbico. Cada una de estas estructuras se denomina cristal cúbico de sal. Estos cristales son los granos de sal.

    El Sodio (Na) tiene 11 protones (carga eléctrica positiva) en su núcleo y 11 electrones (carga eléctrica negativa) orbitando alrededor del núcleo. Estos electrones orbitan en 3 capas: con 2 electrones en la primera capa, 8 electrones en la segunda y 1 electrón en la tercera.

    En el Cloro (Cl) hay 17 protones en su núcleo y 17 electrones orbitando alrededor de dicho núcleo. Estos electrones orbitan en 3 capas: con 2 electrones en la primera capa, 8 electrones en la segunda y 7 electrones en la tercera.

    En realidad, en la sal común el Na y Cl actúan como iones. Los iones son átomos que capturan o ceden 1 ó más electrones de valencia (electrones de su capa exterior) para que su capa de valencia (capa exterior del átomo) logre la configuración que los vuelve más estables. Para que una átomo se vuelva estable, tiene que tener a su capa de valencia llena con la máxima cantidad de electrones que puede contener.

    En el caso del Na (que posee 1 electrón de valencia) cede a ese único electrón de valencia al Cl (que posee 7 electrones de valencia). De esta manera, en el caso del Na, al perder a ese electrón de valencia, la capa anterior (2º capa del átomo) que está completa -con 8 electrones- se vuelve la nueva capa de valencia. En el caso del Cl, al capturar a ese electrón del Na, completa a su capa de valencia (que ahora tiene 8 electrones).

    Sin embargo, al ceder el Sodio a su electrón de valencia, termina con 10 electrones y 11 protones. Esta desigualdad en el número de protones y electrones le confiere una carga positiva +1 por tener un protón más que el número de electrones orbitando. Por su parte, el Cloro termina con 18 electrones y 17 protones. Este electrón de más le confiere carga eléctrica negativa -1. Entonces, se dice que el Sodio ahora es un ion Sodio (Na+) y el Cloro se ha vuelto ion Cloro (Cl-).

    Como los iones Na+ y Cl- tienen cargas opuestas, se atraen con gran fuerza y forman al compuesto iónico NaCl (Cloruro de Sodio). Es debido a la gran intensidad de este enlace iónico que se requiere mucha energía para romperlo, por lo cual la sal a temperatura ambiente se encuentra en estado sólido con múltiples iones Na+ y Cl- enlazados entre sí en una estructura cúbica denominada cristal de sal. Como se mencionó antes, cada cristal es un grano de sal. 
     
     

  4. Cuando se mezcla NaCl en agua, dada la gran intensidad de carga eléctrica de los iones Na+ y Cl-, cada uno de estos iones es fuertemente atraído por numerosas moléculas de agua que los separan del cristal cúbico y los rodean. Los polos positivos de las moléculas de agua (H) atraen a los iones Cl-, mientras que los polos negativos de las moléculas de agua (O) atraen a los iones Na+. Entre varias moléculas de agua logran separar del cristal cúbico de sal a cada ion. De esta manera, cada ion queda totalmente rodeado por moléculas de agua. Se dice entonces que el ion ha quedado solvatado, es decir, rodeado por las moléculas del solvente en cuestión.
     
     
  5. Continúa el proceso de disolución del NaCl. Esto es precisamente una disolución, el proceso en el que las moléculas o iones de una sustancia que actúa como soluto (en este caso sal común) son rodeadas por las moléculas de una sustancia que actúa como solvente (en este caso agua).

    Una vez separados y solvatados los iones del NaCl, se dispersan por todo el recipiente. Cada ion de soluto rodeado por moléculas de solvente (o sea, cada ion solvatado) se denomina electrolito. Quizás resulte familiar este término, ya que muchas bebidas mineralizadas indican en su etiqueta exterior la proporción de electrolitos disueltos. Esto se refiere a la cantidad de iones disueltos por litro de la bebida en cuestión.

    Es necesario señalar que el agua y la sal no reaccionan químicamente. Esto significa que al interactuar el agua con la sal no se transforman en otras sustancias, sino que siguen siendo sal y agua. En las disoluciones, el soluto no reacciona químicamente con el solvente.

       

  6. La sal ha quedado totalmente disuelta en el agua.

    El agua pura no conduce bien electricidad, pero cuando se disuelve sal se vuelve una buena conductora de electricidad. Esto sucede porque la corriente eléctrica consiste en electrones que se mueven a través de un material desde el polo negativo de una fuente de energía (por ejemplo una batería) al polo positivo. El material por el que fluyen los electrones debe permitir su movimiento. El agua pura no permite bien la conducción de electrones a través suyo. Sin embargo, cuando se disuelven iones en el agua, dado que se dispersan por toda el agua y que tienen carga eléctrica positiva y negativa, actúan como puentes que permiten el paso de los electrones a través suyo.

    Los iones solvatados (electrolitos) Na+ y Cl+ se mueven libremente por toda el agua. Si se introducen dos electrodos conectados a la batería, gran parte de los iones positivos Na+ se dirigen hacia el electrodo conectado al polo negativo de la batería, mientras que gran parte de los iones negativos Cl- son atraídos por el electrodo conectado al polo positivo de la batería. De esta forma, los iones forman una especie de puente por el que los electrones pueden atravesar al agua.

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Fuentes de información:

  • Química orgánica experimental (Solubilidad y reactividad, páginas 118 y 119). Autores H. Dupont Durst, George W. Gokel. Publicado por Editorial Reverté, S.A (año 1985, impresión digital año 2007) - ISBN: 978-84-291-7155-6
  • Chemistry: Structure and Dynamics ("Capítulo 8.10: Solutions, Like Dissolves Like", páginas 334 a 336. Capítulo 8.13 "Why do some solids dissolve in water", páginas 341 a 346). Autores: James N. Spencer, George M. Bodner, Lyman H. Rickard. Publicado por John Wiley & Sons (año 2012). ISBN-13: 978-0-470-587119 (en inglés)
  • The Basics of Chemistry ("Solutions", páginas 128 y 129). Autor: Richard Leroy Myers. Publicado por Greenwood Press (año 2003). ISBN: 0-313-31664-3 (en inglés)
  • Taste Chemistry ("Water and Inorganic Compounds", página 121). Autor: R.S. Shallenberger. Publicado por Blackie Academic & Professional (año 1993) - ISBN: 0-7514-01501 (en inglés)
  • Introductory Chemistry: An Active Learning Approach. Third Edition (9.1 "Electrolytes and Solution Conductivity", páginas 232 a 234). Autores: Mark Cracolice, Edward Peters. Publicado por: Thomson Brooks/Cole (año 2007) - ISBN: 0-495-01516-4 (en inglés)
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