Soluciones
El agua más pura que se fabrica mide 18,2 MΩ·cm, y ese número no es una meta de purificación sino un límite físico: el agua se ioniza a sí misma y esos iones propios ponen el piso.
01Cuánto hay de qué
Una solución es una mezcla homogénea: el soluto queda disperso en el solvente a escala molecular, sin superficie de separación. Lo único que hay que decidir es cómo se informa cuánto hay, y ahí conviven media docena de unidades que no son intercambiables.
| Unidad | Definición | Cuándo conviene |
|---|---|---|
| Molaridad \( M \) | Moles de soluto por litro de solución | Para reaccionar: es la que entra en los cálculos |
| Molalidad \( m \) | Moles por kilogramo de solvente | Cuando la temperatura cambia: no depende del volumen |
| Fracción molar \( x \) | Moles del componente sobre moles totales | Presiones de vapor, leyes de gases |
| % en masa | Gramos de soluto por 100 g de solución | Reactivos comerciales: el HF viene al 49 % |
| ppm, ppb | Partes por millón o por mil millones | Impurezas: el agua de proceso se especifica así |
La molaridad se calcula sobre el volumen de la solución, que se dilata con la temperatura; la molalidad, sobre la masa de solvente, que no. En soluciones diluidas de agua los números casi coinciden y por eso se confunden, pero en un electrolito concentrado la diferencia es grande. Si el cálculo involucra calentar, va molalidad.
02Qué disuelve a qué
La regla vieja —lo semejante disuelve a lo semejante— es una consecuencia directa de las uniones químicas. Un solvente polar como el agua rodea a los iones con sus dipolos y los separa; uno no polar no tiene con qué, y por eso no disuelve sales. La solubilidad es la concentración máxima que admite el solvente a una temperatura dada, y una vez alcanzada la solución está saturada.
| Solvente | Disuelve | En electrónica se usa para |
|---|---|---|
| Agua desionizada | Sales, ácidos, bases | Enjuague de obleas y de placas después del fluxado |
| Alcohol isopropílico | Residuos polares y algo de grasa | Limpieza de placas y de contactos; se evapora sin dejar resto |
| Acetona | Resinas, polímeros, fotorresistencia | Remover photoresist; ataca muchos plásticos |
| Hidrocarburos | Aceites y ceras | Desengrase previo, antes del enjuague acuoso |
La temperatura casi siempre ayuda a disolver sólidos, y casi siempre estorba con los gases: el oxígeno disuelto en agua cae a la mitad entre 0 y 30 °C. Eso importa en el agua de proceso, donde el oxígeno disuelto oxida las superficies recién atacadas.
03Los electrolitos, y el agua que no conduce
Un electrolito es un soluto que al disolverse se separa en iones, y esos iones son los que transportan carga. La conductividad de la solución mide directamente cuántos iones hay y cuán rápido se mueven:
Y del otro lado está el agua ultrapura, que es lo más parecido a un aislante líquido que se consigue en la industria: 18,2 MΩ·cm a 25 °C. Ese número no se elige, es un límite físico. El agua se autoioniza —\( \mathrm{H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-} \)— y esos iones propios ponen un piso de conductividad que ninguna purificación puede bajar.
Elegí el soluto y movés la concentración. La resistividad se compara contra el agua ultrapura de proceso, el agua potable y el agua de mar. Fijate en la diferencia entre un electrolito fuerte y uno débil a la misma concentración.
Una solución de cloruro de potasio 0,01 M tiene 1413 µS/cm a 25 °C, y ese valor está tabulado con cuatro cifras. El KCl sirve de patrón porque sus dos iones tienen movilidades casi iguales, la sal es fácil de conseguir pura y no se altera con el aire. El laboratorio de arriba reproduce ese número.
04Las propiedades coligativas
Cuatro propiedades de una solución dependen solo de cuántas partículas de soluto hay, no de cuáles: descenso de la presión de vapor, ascenso ebulloscópico, descenso crioscópico y presión osmótica.
La aplicación más directa en electrónica es el refrigerante: etilenglicol en agua baja el punto de congelación de un circuito de refrigeración líquida y sube el de ebullición, las dos cosas al mismo tiempo. Y la presión osmótica es el principio de la ósmosis inversa, la primera etapa de toda planta de agua desionizada: se aplica presión mayor que \( \pi \) para empujar el agua a través de la membrana en contra de su tendencia natural.
05En el laboratorio
Preparar por pesada una solución de KCl 0,01 M, medir su conductividad y contrastar con los 1413 µS/cm tabulados. Calcular el error y discutir si proviene de la pesada, del volumen o de la temperatura.
Medir la conductividad de HCl y de ácido acético, ambos 0,01 M. Explicar por qué difieren en más de un orden de magnitud aunque la concentración sea la misma, y estimar el grado de disociación del acético a partir de la medición.
Medir la conductividad del agua de red, de agua destilada de farmacia y de agua desionizada si se consigue. Convertir a resistividad y a ppm equivalentes de NaCl, y comparar con la especificación de agua de proceso de la industria electrónica.
06Errores frecuentes
- Calcular la molaridad sobre el volumen de solvente. Va sobre el volumen de solución, que no es la suma de los volúmenes.
- Agregar agua al ácido concentrado. Va siempre al revés: el ácido sobre el agua, de a poco. La dilución libera mucho calor.
- Suponer que todo electrolito se disocia por completo. Los débiles llegan a un equilibrio, y por eso conducen mucho menos.
- Olvidar el factor \( i \) en las coligativas. Una sal aporta dos o tres partículas por fórmula.
- Confundir conductividad con concentración. La relación no es lineal: a partir de cierta concentración los iones se estorban.
07Autoevaluación
¿Cuál es la resistividad del agua ultrapura a 25 °C?
18,2 MΩ·cm. Es un límite físico impuesto por la autoionización del agua, no una meta de purificación.
¿Qué dice la ley de Kohlrausch?
Que la conductividad molar cae con la raíz de la concentración, porque al concentrarse los iones se estorban entre sí.
¿Por qué el KCl 0,01 M es el patrón de calibración?
Porque sus dos iones tienen movilidades casi iguales, la sal se consigue pura y su conductividad está tabulada: 1413 µS/cm.
¿Qué es el factor de van 't Hoff?
El número de partículas en que se separa cada fórmula al disolverse: 1 el azúcar, 2 el NaCl, 3 el CaCl₂.
¿Por qué la ósmosis inversa necesita presión?
Porque empuja el agua a través de la membrana en contra de la tendencia natural, y para eso hay que superar la presión osmótica.
¿Molaridad o molalidad para un cálculo con cambio de temperatura?
Molalidad: se define sobre la masa de solvente, que no se dilata.
08Para ampliar
- Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby. Química. 12.ª ed., McGraw-Hill, 2017. El capítulo 12 completo: unidades de concentración, solubilidad y propiedades coligativas.
- Peter Atkins y Julio de Paula. Química física. 10.ª ed., Editorial Médica Panamericana, 2018. Conductividad de electrolitos, ley de Kohlrausch y movilidad iónica, con la deducción del término en raíz de c.
- Werner Kern (ed.). Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology. Noyes Publications, 1993. Las soluciones de limpieza de obleas y las especificaciones del agua ultrapura de proceso.