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Cómo son las soluciones de azúcar en agua a nivel molecular

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Cómo son las soluciones de azúcar en agua a nivel molecular

 

Fotos en el album: 31

 

Cuando el soluto que se disuelve es un compuesto covalente polar, las moléculas de solvente rodean a las moléculas de soluto en las zonas en que estas útlimas presentan polaridad eléctrica.
 
Por ejemplo, el azúcar común está compuesto por moléculas de sacarosa C12H22O11 unidas entre sí por enlaces de hidrógeno H-O (también llamados puentes de hidrógeno).
 
Al igual que el agua, la molécula de sacarosa posee enlaces de Hidrógeno con Oxígeno (enlaces H-O) que presentan polaridad eléctrica. En la sacarosa, las zonas cercanas a los átomos de Oxígeno tienen carga negativa y las zonas cercanas a los átomos de Hidrógeno tienen carga positiva. Debido a la polaridad eléctrica de estos dipolos H-O, las moléculas de sacarosa se atraen entre sí en interacciones dipolo-dipolo. Esto significa que las zonas de los átomos de Oxígeno (carga negativa) en una molécula de sacarosa atraen a las zonas de los átomos de Hidrógeno (carga positiva) de otra molécula de sacarosa. De esta manera, se mantienen unidas a través de puentes de hidrógeno que dan forma a cristales de azúcar sólidos.

La molécula de sacarosa tiene varios enlaces dipolo O-H. Por lo tanto, es una molécula polar que se disuelve fácilmente en agua. Sin embargo, a diferencia de los compuestos iónicos que se separan en iones individuales al disolverse en agua, las moléculas covalentes polares no se "desarman" en sus átomos constituyentes al ser disueltas. Por ejemplo, en el caso del azúcar, las moléculas de agua solvatan a las moléculas de sacarosa enteras y no a cada uno de sus átomos en forma individual. Esto es así porque las fuerzas de atracción entre moléculas polares de agua y sacarosa no son lo suficientemente fuertes como para "romper" a los enlaces que componen a la molécula de sacarosa. Aunque lo que sí ocurre es que se rompen los enlaces intermoleculares que mantienen juntas a las moléculas de sacarosa en un cristal de azúcar.

Para que se entienda mejor, cada cristal de azúcar es lo que a simple vista se ve como un grano de azúcar. Entonces, cada grano de azúcar es un gran conjunto de moléculas de sacarosa unidas a través de puentes de hidrógeno H-O.
 
Cuando se mezcla agua con azúcar, los enlaces covalentes polares H-O del agua forman puentes de hidrógeno con los enlaces covalentes polares H-O de la sacarosa. Como la fuerza de atracción intermolecular entre moléculas de agua y sacarosa es mayor a la fuerza de atracción entre moléculas de sacarosa, el cristal de azúcar se desarma y se disuelve en agua. Es decir, las moléculas de sacarosa son rodeadas por las de agua (se solvatan) y se dispersan por toda la solución.

Este mismo proceso sucede cuando cualquier tipo de molécula polar se disuelve en un solvente polar. Si las fuerzas de atracción soluto-solvente son mayores a las fuerzas de atracción soluto-soluto o solvente-solvente, la sustancia será soluble en dicho solvente. La solubilidad, entonces depende de la polaridad del soluto y del solvente. En este caso, las fuerzas de atracción entre moléculas de agua y sacarosa son mayores a las fuerzas de atracción entre moleculas de sacarosa que componen al cristal de azúcar.

Los aceites no son solubles en agua porque las moléculas de lípidos que los componen no son polares. Los lípidos tienen largas cadenas con numerosos enlaces de Carbono e Hidrógeno (C-H), cuyos átomos no presentan una gran diferencia de electronegatividad, lo cual significa que no poseen polaridad eléctrica. Entonces, no son atraídas por las moléculas de agua.
  

Descripción del proceso de disolución de azúcar en agua

  1. Se mezcla azúcar con agua (H2O).
     
  2. Vista de un sector del recipiente a nivel molecular. En la imagen se observa un cristal de azúcar formado por un gran número de moléculas de sacarosa (C12H22O11). Las moléculas de sacarosa se encuentran unidas a través de puentes de hidrógeno, o sea a través de las fuerzas de atracción entre los polos positivos (H) de una molécula de sacarosa y los polos negativos (O) de otras moléculas de sacarosa.
     
  3. Comienza a disolverse el azúcar.

    Cuando la molécula de un compuesto está formada por átomos con una diferencia de carga eléctrica que no es tan grande, se trata de un compuesto covalente polar. El agua y la sacarosa son compuestos covalentes polares. El agua tiene un átomo de Oxígeno (O) unido a dos átomos de Hidrógeno (H). De esta manera, el agua está formada por 2 enlaces H-O. Cada uno de estos enlaces H-O tiene polaridad eléctrica. El Oxígeno es el polo negativo y el Hidrógeno es el polo positivo. La molécula de sacarosa también posee varios enlaces H-O con el mismo tipo de polaridad eléctrica.

    Las moléculas de agua comienzan a rodear a las moléculas de sacarosa (las solvatan). Como la fuerza de atracción entre las moléculas de sacarosa en el cristal de azúcar es más débil que la atracción entre las moléculas de agua y sacarosa, estas últimas comienzan a separarse del cristal de azúcar y se van con las moléculas de agua que las rodean. Esto es precisamente la disolución del azúcar.
     

  4. Continúa el proceso de disolución del azúcar. Debido a la atracción entre los polos con carga eléctrica opuesta de la sacarosa y el agua, las moléculas de sacarosa quedan rodeadas por moléculas de agua y se dispersan por todo el recipiente. Esta interacción en la que una molécula de soluto queda rodeada por moléculas de un solvente se denomina solvatación. En este caso, las moléculas de sacarosa son solvatadas por agua.
     
  5. El azúcar se ha disuelto totalmente. Esto significa que el cristal de azúcar quedó desarmado (disuelto) porque todas las moléculas de sacarosa que lo conformaban han sido rodeadas por moléculas de agua y se dispersaron por todo el recipiente, es decir, se solvataron.

     

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Fuentes de información:

  • 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 y 342). 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)
  • Introduction to General, Organic and Biochemistry. Ninth Edition (Capítulo 5.7: "What types of attractive forces exist between molecules? : Hydrogen Bonding" páginas 155 a 157). Autores: Frederick A. Bettelheim, William H. Brown, Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell. Publicado por Brooks/Cole Cengage Learning (año 2010). ISBN-13: 978-0-495-39112-8 (en inglés)
  • Química, un proyecto de la A.C.S (Capítulo 2: "Soluciones acuosas y solubilidad. Sección 2.2: "Disoluciones de moléculas polares en agua", páginas 76 a 81). Por la American Chemical Society. Editorial Reverté (año 2005, reimpresión 2007). ISBN: 978-84-291-7001-6
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