Preparación de Disoluciones en el Laboratorio

Introducción a las Disoluciones

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias, donde el soluto (sustancia disuelta) se dispersa uniformemente en el disolvente (sustancia que disuelve). La preparación precisa de disoluciones es fundamental en química analítica, control de calidad industrial y investigación científica.

En el laboratorio, la precisión en la preparación de disoluciones es crucial para obtener resultados confiables en análisis cuantitativos, síntesis químicas y estudios de propiedades físico-químicas.

Conceptos Fundamentales

Tipos de Disoluciones

Según el estado físico:

• Sólido en líquido: Sal en agua (más común en laboratorio)
• Líquido en líquido: Alcohol en agua
• Gas en líquido: CO₂ en agua (agua carbonatada)
• Sólido en sólido: Aleaciones metálicas

Según la cantidad de soluto:

• Diluida (insaturada): Contiene menos soluto del que puede disolverse
• Concentrada: Contiene una cantidad considerable de soluto
• Saturada: Contiene la máxima cantidad de soluto a esa temperatura
• Sobresaturada: Contiene más soluto del que puede disolverse (inestable)

Formas de Expresar la Concentración

Concentraciones físicas:

• % masa/masa (% m/m): g soluto / 100 g disolución
• % masa/volumen (% m/v): g soluto / 100 mL disolución
• % volumen/volumen (% v/v): mL soluto / 100 mL disolución
• ppm (partes por millón): mg soluto / L disolución

Concentraciones químicas:

• Molaridad (M): mol soluto / L disolución
• Molalidad (m): mol soluto / kg disolvente
• Normalidad (N): equivalentes / L disolución
• Fracción molar (χ): mol soluto / mol totales

Material y Equipamiento

Material Volumétrico

• Matraz aforado: Volúmenes exactos (25, 50, 100, 250, 500, 1000 mL)
• Pipetas volumétricas: Para transferencias precisas de volumen
• Pipetas graduadas: Para volúmenes variables con menor precisión
• Buretas: Para adiciones graduales de líquido
• Probetas: Para medidas aproximadas de volumen

Material de Pesada

• Balanza analítica: Precisión de 0.1 mg (4 decimales)
• Balanza granatario: Precisión de 0.01 g (2 decimales)
• Vidrios de reloj: Para pesar sustancias sólidas
• Pesasustancias: Para transferir sólidos sin pérdidas

Otro Material

• Vasos de precipitados de diferentes capacidades
• Varillas agitadoras de vidrio
• Embudos de vidrio
• Frasco lavador con agua destilada
• Propipetas o pipeteadores automáticos

Preparación de Disoluciones Molares

Cálculos Previos

Para preparar una disolución molar necesitamos calcular la masa de soluto:

Fórmula fundamental: gramos = Molaridad × Volumen(L) × Masa Molar

Donde:

• Molaridad = concentración deseada (mol/L)
• Volumen = volumen de disolución a preparar (L)
• Masa Molar = peso molecular del soluto (g/mol)

Ejemplo de Cálculo

Objetivo: Preparar 500 mL de NaCl 0.2 M Datos:

• Volumen = 500 mL = 0.5 L
• Molaridad = 0.2 M
• MM(NaCl) = 58.44 g/mol

Cálculo:

gramos de NaCl = 0.2 mol/L × 0.5 L × 58.44 g/mol = 5.844 g

Procedimiento Experimental

Cálculo y pesada:

• Calcular la masa exacta de soluto necesaria
• Pesar con balanza analítica (precisión ±0.1 mg)
• Usar vidrio de reloj o pesasustancias

Disolución inicial:

• Transferir el soluto a un vaso de precipitados
• Añadir agua destilada (aproximadamente 1/3 del volumen final)
• Agitar con varilla de vidrio hasta disolución completa

Transferencia al matraz:

• Transferir cuantitativamente al matraz aforado usando embudo
• Enjuagar el vaso y varilla con agua destilada
• Transferir todos los enjuagues al matraz

Enrase final:

• Añadir agua hasta aproximadamente 1 cm del aforo
• Agitar para homogeneizar
• Enrasar gota a gota hasta la marca exacta
• Leer el menisco a la altura de los ojos

Homogeneización final:

• Tapar el matraz e invertir 20-30 veces
• Verificar la homogeneidad
• Etiquetar la disolución con concentración y fecha

Diluciones

Principio de las Diluciones

Una dilución consiste en reducir la concentración de una disolución añadiendo más disolvente. El número de moles de soluto permanece constante.

Ecuación fundamental de dilución: C₁ × V₁ = C₂ × V₂

Donde:

• C₁ = concentración inicial
• V₁ = volumen de disolución inicial a tomar
• C₂ = concentración final deseada
• V₂ = volumen final de disolución diluida

Procedimiento para Diluciones

Cálculo del volumen:

• Usar la ecuación C₁V₁ = C₂V₂
• Despejar V₁ = (C₂ × V₂) / C₁

Toma de alícuota:

• Medir exactamente V₁ con pipeta volumétrica
• Transferir a matraz aforado de volumen V₂

Dilución:

• Añadir agua destilada hasta aproximadamente la mitad
• Agitar para homogeneizar
• Enrasar hasta la marca exacta
• Homogeneizar invirtiendo el matraz

Ejemplo de Dilución

Problema: Preparar 250 mL de HCl 0.5 M a partir de HCl 6 M Solución:

• C₁ = 6 M, C₂ = 0.5 M, V₂ = 250 mL
• V₁ = (0.5 × 250) / 6 = 20.8 mL
• Procedimiento: Tomar 20.8 mL de HCl 6 M y diluir a 250 mL

Preparación de Disoluciones Porcentuales

Disoluciones % m/v

Para preparar 100 mL de disolución al 5% m/v de NaCl:

Pesar 5.0 g de NaCl Disolver en aproximadamente 50 mL de agua Transferir a matraz de 100 mL Enrasar hasta 100 mL

Disoluciones % v/v

Para preparar 200 mL de etanol al 30% v/v:

Calcular: 30% de 200 mL = 60 mL de etanol Medir 60 mL de etanol con pipeta Transferir a matraz de 200 mL Añadir agua hasta aproximadamente 150 mL Agitar y enrasar hasta 200 mL

Precauciones de Seguridad

Preparación de Disoluciones Ácidas

• SIEMPRE añadir ácido al agua, nunca al revés
• Añadir el ácido lentamente y con agitación
• Usar campana extractora para vapores
• Permitir que la disolución se enfríe antes del enrase
• Usar gafas de seguridad y guantes resistentes a ácidos

Preparación de Disoluciones Básicas

• El NaOH y KOH sólidos son altamente higroscópicos
• Pesar rápidamente para evitar absorción de humedad
• La disolución de hidróxidos genera calor
• Usar gafas y guantes, las bases causan quemaduras graves
• Almacenar en frascos de plástico (atacan el vidrio)

Precauciones Generales

• Verificar la calibración de balanzas y material volumétrico
• Usar agua destilada o desionizada
• Trabajar a temperatura ambiente constante
• Etiquetar todas las disoluciones inmediatamente
• Limpiar derrames inmediatamente

Fuentes de Error y Control de Calidad

Errores Comunes

• Error de pesada: Usar balanza inadecuada o mal calibrada
• Error de enrase: Lectura incorrecta del menisco
• Transferencia incompleta: Pérdidas durante la transferencia
• Error de temperatura: Enrasar a temperatura incorrecta
• Pureza del reactivo: Usar reactivos de pureza desconocida

Buenas Prácticas

• Calibrar balanzas y material volumétrico regularmente
• Realizar transferencias cuantitativas completas
• Leer el menisco a la altura de los ojos
• Usar reactivos de grado analítico
• Registrar todas las observaciones y cálculos
• Preparar blancos y patrones de control

Patrones Primarios y Secundarios

Patrones Primarios

Sustancias de pureza conocida (>99.9%) usadas para preparar disoluciones de concentración exacta:

• Para ácidos: Na₂CO₃, KHCO₃, ácido oxálico
• Para bases: KHC₈H₄O₄ (biftalato de potasio)
• Para oxidantes: As₂O₃, ácido oxálico
• Para reductores: K₂Cr₂O₇, KBrO₃

Características de un Patrón Primario

• Alta pureza (>99.9%)
• Estabilidad al aire y humedad
• Ausencia de agua de cristalización
• Masa molar elevada (reduce errores de pesada)
• Solubilidad adecuada
• Disponibilidad comercial a precio razonable

Patrones Secundarios

Disoluciones cuya concentración se determina por valoración con patrones primarios:

• HCl, H₂SO₄, HNO₃ (no pueden ser patrones primarios)
• NaOH, KOH (absorben CO₂ y H₂O del aire)
• KMnO₄ (se descompone lentamente)

Aplicaciones Prácticas

Control de Calidad Industrial

• Industria farmacéutica: Preparación de principios activos
• Industria alimentaria: Control de concentraciones en productos
• Tratamiento de aguas: Preparación de reactivos para análisis
• Metalurgia: Disoluciones para análisis de aleaciones

Investigación y Desarrollo

• Síntesis química controlada
• Estudios de cinética y equilibrio
• Caracterización de materiales
• Desarrollo de métodos analíticos

Análisis Clínicos

• Preparación de calibradores y controles
• Disoluciones tampón para enzimas
• Reactivos para pruebas bioquímicas
• Estándares para espectrofotometría

Almacenamiento y Conservación

Factores que Afectan la Estabilidad

• Temperatura: Almacenar a temperatura constante
• Luz: Proteger disoluciones fotosensibles
• pH: Algunas sustancias se hidrolizan
• Contaminación: Usar frascos limpios y tapas adecuadas
• Evaporación: Sellar herméticamente

Recomendaciones de Almacenamiento

• Usar frascos de vidrio borosilicatado o plástico inerte
• Etiquetar con concentración, fecha y caducidad
• Almacenar en lugar fresco y oscuro
• Verificar periódicamente la concentración
• Desechar disoluciones caducadas o contaminadas

Cálculos Avanzados

Mezcla de Disoluciones

Para mezclar dos disoluciones de diferente concentración:

C_final = (C₁ × V₁ + C₂ × V₂) / (V₁ + V₂) Ejemplo: Mezclar 100 mL de HCl 2 M con 200 mL de HCl 0.5 M

C_final = (2 × 100 + 0.5 × 200) / (100 + 200) = 300 / 300 = 1.0 M

Factor de Dilución

Para diluciones seriadas:

Factor = C_inicial / C_final = V_final / V_inicial

Dilución 1:10 significa tomar 1 parte de disolución y diluir a 10 partes totales.

Importancia en la Formación Científica

La habilidad para preparar disoluciones precisas es fundamental para cualquier científico. Esta competencia no solo es esencial en química analítica, sino que se extiende a todas las ramas de la ciencia experimental, desde la bioquímica hasta la ciencia de materiales.

El dominio de estas técnicas proporciona la base para el trabajo experimental riguroso y es requisito indispensable para el control de calidad en industrias químicas, farmacéuticas, alimentarias y de análisis clínicos.

La precisión y exactitud en la preparación de disoluciones se traduce directamente en la confiabilidad de los resultados experimentales, siendo por tanto una competencia clave para el desarrollo profesional en ciencias químicas y áreas afines.