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Las soluciones son omnipresentes en la química. Se utilizan para almacenar y manipular pequeñas cantidades de material, llevar a cabo reacciones químicas y desarrollar materiales con propiedades controlables. Una solución es una mezcla homogénea que contiene algunos componentes en pequeñas cantidades, llamados solutos, y un componente en gran cantidad, llamado solvente. La cantidad de soluto en relación con la cantidad total de una solución se conoce como su "concentración". Dependiendo de si se trata de la masa, el volumen o la cantidad en moles de los componentes de la solución que se están considerando, esta medición se puede expresar de varias maneras diferentes, de acuerdo con las necesidades del experimento. En este vídeo, primero repasaremos los diferentes tipos de unidades para medir la concentración de una solución. A continuación, pasaremos por un protocolo para hacer una solución de sacarosa. Por último, veremos cómo se utiliza la medición de la concentración en diversas aplicaciones químicas.
La concentración de una solución puede expresarse en varias unidades diferentes, cada una de las cuales puede ser más adecuada para aplicaciones particulares que otras. Una de las unidades más utilizadas es la molaridad, que es la cantidad de soluto por volumen de solución; Un molar equivale a un mol de soluto por litro de solución. Debido a la simplicidad de medir los volúmenes de líquidos, la molaridad es una de las unidades más convenientes para los cálculos estequiométricos de las reacciones en solución. La estequiometría se basa en el número de moléculas involucradas en una reacción. Por lo tanto, conocer la molaridad simplifica el cálculo de los reactivos necesarios.
Cuando la concentración se expresa como la cantidad de soluto por masa de disolvente, la medición se denomina molalidad. El volumen de los materiales cambia con la temperatura, por lo que medir la concentración con molalidad es ventajoso cuando se estudian las propiedades físicas de las soluciones, conocidas como propiedades coligativas, que implican diferencias de temperatura. La fracción molar es otra unidad de concentración común, y viene dada por el número de moles de soluto por el número total de moles de todos los componentes de la solución. solutos y solventes. Las fracciones molares son útiles, por ejemplo, cuando se investiga la "presión de vapor" de las soluciones. Esto refleja el grado en que las partículas de soluto y solvente "escapan" de una solución líquida a la fase gaseosa, ya que la fracción molar es igual a la relación entre las presiones parciales y la presión total. Ahora que tienes una idea de cómo se puede medir la concentración de una solución, vamos a repasar un protocolo para hacer una solución con una concentración molar específica.
Comience calculando la masa de sacarosa necesaria, usando primero el volumen y la concentración deseados de la solución para llegar al número de moles de sacarosa, y luego usando la masa molecular para convertirla en masa. En este ejemplo, se están elaborando 100 mL de una solución de sacarosa de 0,01 M, por lo que se necesitarán 0,342 g. Para pesar la masa requerida de sacarosa, primero coloque un bote de pesaje limpio y vacío en la balanza. Establezca el "peso de tara", lo que significa establecer el peso del bote de pesaje vacío en cero. A continuación, con una cuchara, transfiera el polvo de sacarosa del frasco de reactivo al recipiente de pesaje hasta obtener la cantidad deseada. Coloque un embudo de polvo en un matraz aforado limpio y seco de 100 ml. Vierta con cuidado la sacarosa a través del embudo. Con una botella de lavado que contenga el disolvente, en este caso agua destilada, enjuague el sólido restante del recipiente de pesaje y colóquelo en el matraz.
Agregue más agua destilada, pero deténgase antes de que alcance la marca de calibración. Tape y revuelva suavemente para disolver el sólido. Es importante no llenar el matraz por completo en este punto, ya que puede ser difícil que el sólido se disuelva por completo.
Una vez que toda la sacarosa se haya disuelto, agregue cuidadosamente el solvente con una botella de lavado hasta que el fondo del menisco alcance la graduación volumétrica. Vuelva a tapar el matraz e inviértalo varias veces para asegurar una disolución y mezcla completas.
Una solución sobresaturada es aquella en la que se disuelve más soluto de lo que cabría esperar, dada la temperatura u otras propiedades físicas del disolvente. El grado en que se basa en el soluto, el solvente y la velocidad de enfriamiento. La sobresaturación se logra primero disolviendo el soluto en una condición donde la solubilidad es alta y luego cambiando rápidamente la condición de la solución. por ejemplo, disminuyendo su temperatura o volumen ? más rápidamente de lo que las partículas de soluto pueden salir de la solución. En este punto, más soluto permanecería en solución bajo las nuevas condiciones de lo que sería posible disolviendo el soluto directamente bajo esas condiciones. Para crear una solución de sacarosa sobresaturada, primero coloque 100 ml de agua en un vaso de precipitados. Agregue una barra magnética para revolver, luego revuelva en una placa caliente. Agregue 220 g de sacarosa en el agua revolviendo y deje que la mezcla de sacarosa revuelva durante 15 minutos. Después de 15 minutos, observe que no toda la sacarosa se ha disuelto. En este punto, caliente la mezcla a 50 ?C. Continúe revolviendo la mezcla durante 10 minutos más.
Examina la solución de nuevo. Toda la sacarosa debería haberse disuelto en el 50 ? C?agua. Ahora, deje que la solución se enfríe lentamente a temperatura ambiente y retire la barra revolvente. Observe que la sacarosa aún permanece disuelta. La solución a temperatura ambiente ahora está sobresaturada. Agregar incluso una pequeña cantidad de polvo de sacarosa adicional a esta solución puede desencadenar una rápida recristalización de toda la sacarosa disuelta.
Ahora que ha visto cómo preparar soluciones con concentraciones específicas, veamos algunos ejemplos de cómo el concepto puede ser una consideración importante para diversas aplicaciones.
La concentración de reactivos, componentes de solventes y otros componentes de una reacción química a menudo tiene un impacto significativo en la tasa de productos de la reacción. Las concentraciones de reactivo más altas aumentan la probabilidad de que las moléculas se encuentren y reaccionen, lo que podría aumentar la velocidad de reacción. Al mismo tiempo, el aumento de las concentraciones de iones de sal cargados en solución también puede favorecer la agregación de moléculas hidrofóbicas o "repelentes al agua".
Los investigadores estudiaron el autoensamblaje de una molécula compleja en polímeros largos en presencia de concentraciones variables de sal en el disolvente de reacción. Descubrieron que, a concentraciones de sal más altas, el ensamblaje de las moléculas en polímeros ocurre más fácilmente.
La concentración también afecta la velocidad de los procesos físicos, como la cristalización. Los biólogos a menudo cristalizan moléculas como las proteínas, donde se disponen ordenadamente en una red cristalina, por lo que su estructura se puede deducir estudiando cómo los rayos X se difractan a través de estos cristales. Para cristalizar las proteínas, las soluciones de proteínas se mezclan con un "precipitante", generalmente una sal de algún tipo, a diferentes concentraciones y pH. A continuación, se coloca una gota de esta mezcla en una cámara cerrada con un depósito de solución precipitante más concentrada. A medida que el agua se evapora de la gota de solución proteica para equilibrar la concentración de precipitante entre la gota y el depósito, la proteína se sobresatura cada vez más y finalmente se cristaliza fuera de la solución. Para obtener más información, vea nuestro video sobre el cultivo de cristales.
Finalmente, la comprensión de la concentración es importante para evaluar los niveles de toxinas en el medio ambiente. En este ejemplo, los científicos desarrollaron un ensayo para detectar la cantidad de la toxina bacteriana botulínica, potencialmente mortal, en muestras de alimentos o agua, mediante la detección de la medida en que la toxina escinde una proteína en particular. Para realizar el ensayo, primero se genera una "curva estándar" midiendo el nivel de actividad de diferentes concentraciones conocidas de la toxina. La toxina aislada de muestras desconocidas puede ser sometida a la prueba, y la concentración puede ser interpolada comparando su actividad con la curva estándar.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la creación de soluciones. Ahora debe comprender cuándo usar diferentes unidades para expresar la concentración, una demostración para hacer una solución con una concentración específica y, finalmente, varias aplicaciones que ilustran la importancia del tema.
¡Gracias por mirar!
