Disoluciones simples y seriadas

[Propiedades de las disoluciones] Sección 4. Conceptos clave [Disoluciones simples y en serie] [Mezclas de disoluciones líquidas y gaseosas] Otros conceptos [Destilación y aplicaciones] [Azúcar para unos, sed para todos]

Los cambios subcríticos de concentración se refieren a variaciones en la concentración de solutos que ocurren por debajo del límite de solubilidad, de modo que la mezcla permanece homogénea. Este concepto es fundamental en la química de soluciones, ya que garantiza que el soluto no precipite ni forme fases separadas, manteniendo una disolución uniforme. Un proceso común relacionado con estos cambios es la dilución, que implica un aumento en el volumen del solvente o del medio dispersor sin modificar la cantidad total de soluto, lo que provoca una reducción en la concentración del soluto.

La dilución es una técnica ampliamente utilizada en laboratorios químicos e industrias para preparar disoluciones con concentraciones específicas y controladas. Para realizarla con precisión, se emplea un balón aforado adecuado al volumen final deseado. Inicialmente, se introduce el soluto concentrado en el balón, usando un embudo para evitar pérdidas, y luego se añade el solvente, generalmente agua destilada, de forma gradual. El soluto se disuelve mediante agitación suave y el volumen final se ajusta gota a gota hasta alcanzar la marca de aforo, garantizando la exactitud en la concentración final. Este procedimiento asegura que la cantidad de soluto se mantiene constante, pero se dispersa en un volumen mayor, disminuyendo así su concentración inicial.

Figura 1. Para diluir una disolución concentrada, se introduce cuidadosamente en un balón aforado, se añade agua destilada gradualmente hasta la marca de aforo y se homogeneiza. La cantidad de soluto permanece constante, pero al aumentar el volumen total, la concentración disminuye. Este procedimiento garantiza una mezcla homogénea con una concentración final precisa.

Figura 2. La disolución seriada permite estudiar sustancias en concentraciones extremadamente bajas mediante sucesivas diluciones controladas. A partir de una disolución concentrada, se toman alícuotas que se diluyen en serie, generando una secuencia con concentraciones decrecientes exponencialmente. Este método es esencial para analizar toxinas, fármacos o contaminantes presentes en cantidades diminutas, y se fundamenta en modelos matemáticos precisos.

Una variante importante es la alícuota y dilución, que consiste en tomar una porción o fracción de una disolución madre o estándar para preparar una solución con volumen menor y concentración proporcionalmente reducida. Esto permite ajustar la concentración de manera exacta sin manipular grandes volúmenes de la disolución madre.

Figura 3. El teorema de dilución se entiende mejor al expresar la concentración final como la concentración inicial multiplicada por la fracción del volumen inicial sobre el volumen final. Esto aclara que el volumen inicial es una alícuota y permite aplicar fácilmente diluciones seriadas, comprendiendo que la cantidad de soluto se conserva aunque su concentración disminuya progresivamente. Demostración.

Figura 4. El factor de dilución representa cuánto se reduce una concentración al añadir solvente. En diluciones sucesivas, los factores se multiplican, lo que genera una disminución exponencial de la concentración inicial. Su fórmula general incluye el producto de alícuotas sobre el de volúmenes de equilibrio. Este concepto permite preparar disoluciones extremadamente diluidas de manera precisa y controlada. Demostración.

Figura 5. El teorema de dilución seriada extiende el de dilución simple para calcular la concentración final tras múltiples etapas encadenadas. Usa el producto multiplicativo (Π) de las fracciones de volúmenes y alícuotas en cada paso, mostrando cómo la concentración inicial disminuye exponencialmente. Este teorema refleja el proceso físico real de dispersión progresiva del soluto en volúmenes crecientes, esencial para medir sustancias en concentraciones muy bajas. Demostración.

La dilución seriada es una técnica que encadena múltiples diluciones sucesivas en volúmenes constantes, reduciendo exponencialmente la concentración del soluto. Esta técnica es especialmente útil para el estudio de sustancias que tienen efectos en concentraciones muy bajas, tales como toxinas, contaminantes o reactivos presentes en partes por millón (ppm) o partes por billón (ppb). Para ilustrar, no es posible transferir una sola molécula de toxina para preparar una disolución; en cambio, se realizan diluciones sucesivas de alícuotas, logrando así concentraciones extremadamente bajas pero cuantificables.

Por otro lado, procesos como la vaporización o ebullición afectan la concentración de manera inversa a la dilución. Cuando el solvente se evapora, la concentración del soluto aumenta porque el volumen de la solución disminuye. Si la evaporación continúa, la concentración puede llegar a superar el punto crítico de solubilidad, provocando la formación de una mezcla heterogénea, en la que el soluto puede precipitar o formar fases separadas.

En la práctica de laboratorio, la pipeta es una herramienta crucial para realizar diluciones por extracción de alícuota con precisión. Este proceso implica tomar una alícuota exacta de una disolución concentrada y transferirla a un recipiente, como un balón aforado, donde se añade un volumen conocido de solvente para obtener una disolución diluida. La precisión en la medición de la alícuota garantiza que la concentración final se pueda calcular correctamente utilizando la fórmula de conservación de la masa.

La importancia de la pipeta radica en su capacidad para medir y transferir volúmenes exactos, lo que es fundamental para reproducir resultados confiables y consistentes en experimentos químicos, análisis cuantitativos y producción industrial.

Figura 6. La dilución por extracción de alícuota consiste en tomar un volumen preciso de una disolución concentrada y mezclarlo con solvente hasta un volumen final conocido. La cantidad de soluto permanece constante, pero se dispersa en un mayor volumen, reduciendo su concentración. Este método garantiza diluciones precisas y es fundamental para preparar soluciones estándar y calibraciones en laboratorio.

Figura 7. La pipeta es esencial en química por su precisión para medir y transferir volúmenes exactos de líquidos. Es fundamental en diluciones y disoluciones, asegurando la conservación de masa y la exactitud en los cálculos. Su uso correcto garantiza resultados fiables en análisis cuantitativos y preparación de soluciones, siendo clave para la reproducibilidad y validez de los experimentos.

Entender los cambios subcríticos de concentración, la dilución, la dilución seriada y los procesos inversos como la vaporización es esencial para el manejo adecuado de soluciones químicas. Estos conceptos permiten controlar la concentración de solutos en diferentes contextos, desde la preparación de soluciones estándar en laboratorios hasta la monitorización de contaminantes ambientales en niveles trazables. La precisión en la manipulación de volúmenes y concentraciones, a través de técnicas como el uso de balones aforados y pipetas, garantiza la correcta interpretación y aplicación de estos principios en la ciencia y la industria.

Figura 8. La evaporación o ebullición del solvente reduce el volumen final de la disolución, aumentando la concentración del soluto, cuya cantidad permanece constante. Este fenómeno, común con solutos iónicos como la sal, puede modelarse con el teorema de dilución en forma inversa, usando un factor de concentración cuando el volumen final es menor que el inicial.

Referencias

Baeza Baeza, J. J., & García Álvarez-Coque, M. C. (2014). Extent of reaction balances. A convenient tool to study chemical equilibria.

da Silva, D. J. (2017). The basis of the limiting reagent concept, its identification and applications. World Journal of Chemical Education, 5(1), 1-8.

DeToma, R. P. (1994). Symbolic algebra and stoichiometry. Journal of chemical education, 71(7), 568.

García García, J. L. (2020). El álgebra de la estequiometría. Educación química, 31(1), 138-150.

García García, J. L. (2021). Deduciendo las relaciones entre las unidades de concentración en disoluciones líquidas. Educación química, 32(3), 38-51.

García García, J. L. (2021b). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación química, 32(1), 133-146.

García, J. L. G. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and an Algebraic Alternative. Educación Química, 36(1), 82-108.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(3), 194.

IUPAC. (2019). Compendium of chemical terminology (2nd ed.). IUPAC. https://doi.org/10.1351/goldbook

Moretti, G. (2015). The “extent of reaction”: a powerful concept to study chemical transformations at the first-year general chemistry courses. Foundations of Chemistry, 17(2), 107-115.

Mousavi, A. (2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International, 1(1), 20180006.

Schmitz, G. (2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education, 82(7), 1091.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education, 13(1), 26-32.

SOLAZ, J. J., & Quilez, J. (2001). Changes of extent of reaction in open chemical equilibria. Chemistry Education Research and Practice, 2(3), 303-312.

Vandezande, J. E., Vander Griend, D. A., & DeKock, R. L. (2013). Reaction extrema: Extent of reaction in general chemistry. Journal of Chemical Education, 90(9), 1177-1179.