Las soluciones en la química suelen ser binarias, esto quiere decir que están conformadas por dos componentes, el soluto y el solvente, siendo uno la sustancia a disolver y la otra el factor disolvente.
Basándose en esto, estas se pueden dividir en dos tipos, los cuales son las soluciones valoradas y las soluciones empíricas, siendo estas últimas aquellas en las que no se toma en cuenta la cantidad de soluto y de solvente que puedan contener de forma cuantitativa y exacta.
Normalmente en las soluciones empíricas los solutos y los solventes son relativos, debido a que estos pueden cambiar simplemente con las cantidades; si tenemos una solución con las mismas cantidades de ambos elementos se le puede asignar a cada uno cualquiera de los dos nombres, aunque por convención se considera como solvente a la sustancia que está en mayor proporción.
¿Qué es una solución?
Para poder conocer bien el término de soluciones empíricas es necesario conocer qué es una solución. En química, una solución se define como una mezcla homogénea, que normalmente está conformada por partículas menores de 10 átomos o moléculas relativamente pequeñas. Estas soluciones suelen estar compuestas por dos sustancias principales: los solutos y los solventes.
Una mezcla homogénea es aquella en la que sus componentes están uniformemente distribuidos a nivel microscópico, por lo que no se distinguen las fases a simple vista. Ejemplos típicos son el agua con sal, una bebida gaseosa o el aire que respiramos (mezcla de varios gases).
Solutos
Los solutos son las sustancias que se disuelven en una mezcla, debido a que estas se encuentran mayormente en menor cantidad respecto al solvente. El soluto puede ser un sólido, un líquido o un gas, siempre que se pueda dispersar de forma uniforme en el solvente. Un ejemplo muy cotidiano es el azúcar que se disuelve en el agua.
Solventes
Los solventes son las sustancias que disuelven al soluto; estas se encuentran en mayores proporciones que el ya mencionado. El solvente proporciona el medio en el que las partículas de soluto se dispersan. El agua es el solvente más común en la vida diaria y se le conoce como disolvente universal por su gran capacidad para disolver una gran variedad de sustancias.
Las soluciones se dividen en dos grandes tipos: aquellas en las que se puede determinar la cantidad exacta de soluto y solvente en una mezcla, las cuales llevan por nombre soluciones valoradas o soluciones estándar; y también están las soluciones empíricas, que son las que no permiten determinar con precisión la cantidad de estos componentes porque no se siguen métodos de medida formales.
¿Qué es una solución empírica?
Las soluciones empíricas son mezclas en las cuales no se puede determinar la cantidad exacta de soluto y solvente mediante cálculos cuantitativos o instrumentos de laboratorio. En ellas, la relación entre ambos se establece de forma cualitativa y basada en la experiencia o el criterio personal, sin recurrir a unidades de concentración como molaridad, normalidad o porcentaje.
En una solución empírica pueden intervenir diferentes estados de agregación: se pueden separar o combinar sólidos en líquidos, líquidos en líquidos, gases en líquidos y gases en gases, siendo la sustancia de mayor volumen la que generalmente actúa como solvente y disuelve a la que se encuentra en menor proporción.
La palabra “empírica” hace referencia a que estas soluciones son producto de la práctica y de la experiencia de quien las prepara. También se conocen como soluciones cualitativas, porque la descripción se hace en términos como “poca cantidad”, “mucho”, “una pizca” o “una cucharada”, sin expresar masas, moles o volúmenes exactos.
Las variaciones de tiempo de disolución variarán con respecto a factores como la temperatura, la presión y la naturaleza del soluto. En el caso de soluciones gaseosas, estos factores determinan en gran medida la capacidad del gas para disolverse en el solvente, pudiendo hacer que este adquiera mayor viscosidad o espesor cuando la cantidad de soluto gaseoso es relevante.
Es importante señalar que las soluciones empíricas son habituales en contextos cotidianos, como en hogares, restaurantes, bares y cocinas. Cualquier persona puede prepararlas sin necesidad de formación especializada en química ni uso de aparatos de medición. Por ejemplo, preparar un jugo, un cóctel o un café con leche suelen ser procesos empíricos: se añade más o menos cantidad según el gusto personal.
Existen cinco tipos de soluciones empíricas que se dividen dependiendo de las cualidades del solvente y del soluto, entre ellas están las diluidas, las concentradas, las saturadas, las insaturadas y las sobresaturadas. Esta clasificación se basa en la solubilidad y en la cantidad de soluto que se ha agregado al solvente, aunque en el contexto empírico no se usan cifras exactas.
Si una mezcla tiene como componentes líquidos a las dos sustancias, estas pierden el sentido de los materiales originales, y solamente se conoce cuál es cuál por el que tenga mayor cantidad en la mezcla. Esto es muy común en la preparación de cócteles, mezclas de aceites o salsas líquidas.
Características de las soluciones empíricas
Entre las características más relevantes de las soluciones empíricas se pueden mencionar las siguientes:
- Se preparan habitualmente en entornos informales como casas, bares, cafeterías, comedores o cocinas industriales, más que en laboratorios de investigación.
- Pueden ser elaboradas por cualquier persona, sin necesidad de formación específica en química ni experiencia en el uso de materiales volumétricos o balanzas.
- Se hacen para satisfacer necesidades prácticas como alimentación, sabor, textura o apariencia de alimentos y bebidas, más que para fines analíticos o industriales precisos.
- Predomina el gusto personal, el criterio propio y la experiencia: se agrega más o menos soluto según se perciba el sabor, color, olor o consistencia deseados.
- No se siguen métodos de pesada ni se hacen cálculos estequiométricos; tampoco se usan equipos instrumentales como pH-metros o buretas para su preparación.
- No se utilizan, por lo general, materiales volumétricos calibrados; en su lugar se emplean cucharas, vasos, jarras, tazas, “pizcas” con los dedos o cualquier recipiente de uso cotidiano.
- En laboratorios de rutina y de investigación su uso es poco frecuente, ya que allí se requieren soluciones valoradas con concentraciones conocidas para obtener resultados reproducibles.
- Las soluciones empíricas más comunes suelen ser solutos sólidos disueltos en líquidos (como azúcar en agua) o mezclas líquido-líquido (por ejemplo, diferentes licores en un cóctel).
Tipos de soluciones empíricas
Estos tipos se dividen según la resistencia de las sustancias a disolverse y, sobre todo, de la cantidad de soluto existente en la mezcla, siempre desde una perspectiva cualitativa. Entre las principales categorías se pueden mencionar las siguientes.
Soluciones diluidas
Son aquellas en las que las cantidades de solvente opacan a las de soluto, por lo que la proporción de soluto es relativamente pequeña. También son conocidas como soluciones débiles, debido a la poca cantidad de sustancia disuelta. Un ejemplo de esta pudiera ser cuando se agrega una cucharada de azúcar a un café que esté a una temperatura alta o caliente, la cual se disolverá extremamente rápido gracias a la cantidad de solvente.
En el enfoque empírico, una solución diluida se reconoce por características como sabor suave, color poco intenso o baja densidad aparente. Por ejemplo, un jugo preparado con muy poca cantidad de concentrado de frutas y mucha agua se percibe como ligero y poco dulce.
Soluciones concentradas
Son las que poseen una cantidad de soluto grande en comparación con la cantidad de solvente que existe en la mezcla, o también se puede interpretar como la máxima cantidad de la sustancia que se disuelve en la cantidad de disolvente considerada como conveniente por quien la prepara. Un ejemplo de esto podría ser cuando se colocan 10 gramos de sal en ½ litro de agua, o cuando se añade gran cantidad de azúcar a una limonada hasta que esta resulta muy dulce.
Cabe destacar que no existe un límite exacto entre las soluciones diluidas y las concentradas en el contexto empírico; la distinción se hace de acuerdo con criterios cualitativos, como el sabor, el color, la viscosidad o la densidad percibida. Una persona puede considerar concentrada una bebida que otra perciba como aceptablemente dulce.
Soluciones insaturadas
Estas se caracterizan por tener una cantidad de soluto inferior a la máxima que el solvente podría disolver en determinadas condiciones de temperatura y presión. Es decir, todavía es posible disolver más soluto sin que aparezca un precipitado. En términos empíricos, se trata de soluciones en las que, si se sigue agregando soluto, este se continúa disolviendo sin problema. Un ejemplo pudiera ser 30 gramos de sal en 2 litros de agua.
Soluciones saturadas
Son totalmente contrarias a las insaturadas, debido a que poseen la máxima cantidad de soluto que la solución puede albergar en condiciones de presión y temperatura determinadas. Cuando una solución se satura, el soluto ya no se disuelve más, creando un equilibrio dinámico entre el soluto disuelto y el soluto que permanece sin disolver. En la práctica empírica, se observa que por más que se agite, parte del soluto queda en el fondo del recipiente.
Soluciones sobresaturadas
Estas contienen incluso mayor cantidad de soluto que las soluciones saturadas bajo las mismas condiciones. Se logran generalmente aumentando la temperatura del solvente para que pueda disolver más soluto de lo habitual y luego enfriando la mezcla sin perturbarla. La única manera de que el exceso de soluto se mantenga disuelto es precisamente conservar las condiciones logradas; al momento de dejarla enfriar o someterla a cambios, gran parte del soluto puede volver a su estado original y cristalizar.
Las soluciones sobresaturadas son inestables y, al recibir el más mínimo golpe o movimiento brusco, o al introducir un cristal de soluto, se convierten rápidamente en soluciones saturadas, precipitándose el exceso de soluto. Este fenómeno es muy ilustrativo en experimentos de laboratorio y en la elaboración de caramelos y dulces cristalizados.
Propiedades de las soluciones
Las soluciones poseen muchas propiedades, pero una de las más importantes es la solubilidad, que es la cantidad de soluto que, a una determinada temperatura, se puede disolver en un solvente hasta alcanzar el equilibrio. Cada compuesto tiene su propio nivel de solubilidad, que depende de factores como su naturaleza química y la del solvente.
En el contexto de soluciones, también existen otras propiedades asociadas tanto al soluto como al solvente. Del soluto se pueden mencionar la conductividad eléctrica (en el caso de electrolitos), la presión de vapor y el efecto en el punto de congelación o de ebullición de la solución. Del solvente, por su parte, se estudian propiedades como el punto de ebullición, el punto de fusión y su constante dieléctrica.
En términos microscópicos, para que una solución homogénea se forme, debe existir cierta atracción entre las moléculas del soluto y del solvente, que llegue a superar las fuerzas de atracción entre las moléculas del soluto por sí solas. Esto provoca que las partículas del soluto se vayan dispersando y, a su vez, uniéndose a las del disolvente, creando un sistema uniforme.
Un ejemplo clásico es el del agua y el azúcar. Al momento de colocar una cucharada de azúcar en un vaso de agua, esta se disolverá porque las moléculas de agua tienen la suficiente fuerza como para interaccionar con las moléculas de azúcar, rompiendo la estructura cristalina de esta última y rodeando cada partícula disuelta. El resultado es un líquido uniforme en el que ya no se distinguen cristalitos de azúcar a simple vista.
La forma en que se preparan muchas soluciones empíricas (agitando, calentando, triturando el soluto) también influye en la velocidad de disolución. Moler un soluto sólido en partículas finas o elevar la temperatura del solvente suele acelerar el proceso, incluso cuando no se lleva un registro cuantitativo de las cantidades.
¿Cómo se preparan las soluciones empíricas?
En la preparación de las soluciones empíricas prevalecen los gustos personales y los requerimientos prácticos. La cantidad de soluto y la cantidad de solvente dependen del criterio de quien prepara la mezcla, sin utilizar pesadas exactas ni mediciones volumétricas precisas.
En este tipo de soluciones, las unidades de medida formales son inexistentes. En lugar de gramos o mililitros, se usan expresiones como “una cucharadita de sal”, “un chorro de leche”, “una pizca de azúcar” o “dos dedos de licor”, las cuales son claramente empíricas porque no expresan la concentración en función de la masa exacta o del número de moles presentes.
Los materiales usados para preparar soluciones empíricas son igualmente informales: cucharas, tazas, vasos, jarras, puñados con la mano o briznas que se toman con los dedos. Estos recipientes carecen de indicador de volumen calibrado, por lo que dos personas pueden preparar mezclas distintas aun usando la misma “medida” aparente.
A pesar de esta falta de precisión, muchas personas logran una notable reproducibilidad empírica gracias a la práctica: pueden preparar, por ejemplo, el mismo tipo de café o el mismo cóctel con un sabor muy similar en numerosas ocasiones, basándose solo en la experiencia sensorial.
Ejemplos cotidianos de soluciones empíricas
Las soluciones empíricas están presentes continuamente en la vida diaria. Algunos ejemplos adicionales a los que ya se presentarán más adelante son:
- Preparación de cócteles: aunque se indiquen cantidades de licor y otros ingredientes, en la práctica suelen variarse según el gusto de quien prepara la bebida o del comensal.
- Elaboración de tartas y masas: mezclar huevos, harina, leche, azúcar y aceite en cantidades que a menudo se ajustan sobre la marcha para conseguir una textura deseada.
- Salsas y guisos: la cantidad de sal, especias, caldo o agua se ajusta según el sabor que se quiera lograr, sin pesadas ni mediciones exactas.
- Jugos y batidos: la proporción de pulpa de fruta, agua, leche o hielo se modifica para que queden más espesos, más ligeros, más dulces o más ácidos.
- Infusiones y tés: se agrega “una cucharada” o “un puñado” de hierbas en agua caliente, pero esa cantidad cambia de una persona a otra.
8 Ejemplos que ayudan a determinar las soluciones empíricas
- Cuando se prepara un café con leche, se ve como el soluto al café que es un sólido (en grano o molido, que luego se extrae) y la leche como el solvente que es un líquido. Dependiendo de cuánta leche o café se añada, la mezcla será más clara o más oscura, sin que se mida exactamente la proporción.
- Chocolate y agua, siendo el chocolate (en polvo o fundido) el soluto y el agua el solvente. La intensidad del sabor dependerá de cuánto chocolate se disuelva, un claro ejemplo de solución empírica.
- Cuando se somete a una disolución al agua y al aire, se obtiene la niebla o bruma: pequeñas gotitas de agua dispersas en el aire forman un sistema donde el gas actúa como medio de dispersión.
- Pintura y thinner: para poder utilizar la pintura de aceite con más facilidad esta debe pasar por un proceso de disolución con el thinner que es el solvente. La cantidad de thinner se añade según la consistencia buscada, sin medición exacta.
- Agua jabonosa, en la cual el agua es el solvente y el jabón un soluto. Esta también puede servir como ejemplo de solución insaturada o concentrada, dependiendo de cuánta cantidad de jabón se agregue.
- Café con agua: al momento de preparar un café filtrado o instantáneo con agua, se está generando otra solución empírica, en la que el agua actúa como solvente y la cantidad de café se ajusta a gusto.
- Agua con azúcar, siendo el azúcar la sustancia a disolver y el agua el disolvente. La dulzura de la mezcla depende de la cantidad empíricamente agregada.
- Agua con zumos artificiales, siendo estas bebidas productos deshidratados que funcionan como una especie de azúcar con sabor. Actúan de la misma manera que el ejemplo anterior, ajustando “al ojo” la cantidad de polvo para lograr el sabor deseado.
Todo este conjunto de ejemplos muestra cómo, en la vida cotidiana, se preparan constantemente soluciones empíricas en las que no se manejan cifras ni concentraciones exactas, pero sí se explotan de manera intuitiva las propiedades de solubilidad, sabor, color y consistencia.