1. Resumen
Se describe el enjuague como un caso particular de la dilución y se aprovecha este fenómeno físico para introducir el concepto de disolución porcentual y presentar algunos ejemplos cotidianos.
2. Introducción
Debido al confinamiento provocado por el virus SARS-CoV2, que produce la enfermedad conocida como Covid-19 (Hassan, 2020), nos vimos forzados a dar/recibir clases a distancia, aprovechando la tecnología existente. Con ello, el comer o cenar fuera de casa se suspendió casi definitivamente, con todas sus consecuencias positivas y negativas. Así, al aumentar nuestro tiempo de estancia en casa, también aumentó el trabajo del hogar: Cocinar, lavar la ropa, limpiar más la casa y muchas otras cosas más. Lavar, enjuagar y desinfectar…, y oír noticias sobre la pandemia…, y seguir lavando, enjuagando y desinfectando para evitar el contagio.
Y cuando tomamos un baño o lavamos, nos gusta que el jabón o el detergente haga espuma. Porque si no hay espuma uno normalmente no piensa que el "agua es dura" (Celebrando la química, 2014), sino que el jabón no es bueno o que no se está lavando bien. Pero a mayor cantidad de espuma más trabajo para quitarla después, en un proceso que conocemos como enjuagar. De aquí el gran éxito de las lavadoras automáticas en cuanto al ahorro de agua y la rapidez en el lavado, pues el primer paso del enjuague es el centrifugado.
"En las lavadoras automáticas el centrifugado ayuda a eliminar el jabón que se ha usado en el lavado y con ello se facilita el enjuague"
Al eliminar el agua del lavado y centrifugar, se elimina una gran parte del jabón, por lo que ya es necesaria solamente una nueva carga de agua limpia para terminar el proceso. Así que otra vez la máquina agita, elimina el agua con el jabón restante y centrifuga.
Figura 1. La centrifugación, como parte del lavado, ayuda a disminuir la cantidad de agua necesaria para el enjuague (Imagen tomada de dreamstime, 2021).
En la química, los procesos de dilución son bastante comunes, pero también en la vida cotidiana nos encontramos con varios casos, que muchas veces los pasamos inadvertidos. Cuando vamos al super y queremos comprar un producto, por ejemplo "sarricida", y somos muy ahorradores y detallistas, no compraremos por marca sino por su relación precio-volumen; es decir, buscaremos una botella o garrafón que contenga mayor cantidad y sea más barato. Y nos iremos muy satisfechos porque hicimos una buena compra, sin darnos cuenta de que pudimos haber comprado un producto más barato, pero "menos fuerte", es decir, de menor concentración.
3. Las disoluciones porcentuales
La concentración es la magnitud química que indica la cantidad de un elemento o un compuesto denominado soluto, la cual está contenida en un cierto volumen de otra sustancia llamada disolvente. Por ejemplo, si agregamos una cucharada de cloruro de sodio, NaCl (comúnmente llamada sal de mesa), en un vaso con agua (H2O) y agitamos hasta que no podamos ver los granos de sal, obtendremos una disolución homogénea o disolución, en la que el NaCl es el soluto y el agua es el disolvente.
Para expresar cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución, se emplean distintas unidades: molaridad, normalidad, molalidad, formalidad, porcentaje en peso, porcentaje en volumen, porcentaje masa en volumen, fracción molar, partes por millón, partes por billón, partes por trillón y otras más; pero en este contexto solo hablaremos de las disoluciones porcentuales, que matemáticamente son más fáciles de entender, si bien hay que recalcar que para estandarizar las unidades de concentración, el sistema internacional, SI, emplea las unidades mol sobre metro cúbico, mol/m3 (NIST, 2021)
Atendiendo al estado físico del soluto y del disolvente, las soluciones porcentuales pueden ser (Figura 2):
Figura 2. Tipos de soluciones porcentuales más comunes.
1) Porcentaje en masa (% m/m): Es la cantidad en gramos de soluto que hay en 100 gramos de disolución.
En donde, la masa de la disolución = masa del soluto (g) + masa del disolvente (g).
2) Porcentaje en volumen (% v/v): Es la cantidad en mililitros de soluto que hay en cien mililitros de disolución.
3) Porcentaje masa en volumen (% m/v): Es la cantidad en gramos de soluto que hay en 100 mililitros de disolución.
Nótese que, si el disolvente es agua destilada (densidad = 1 g/mL), entonces la masa de 1 mL de agua es igual a 1 g:
Eso significa que para disoluciones en las que el disolvente es agua destilada, la ecuación (3) se convierte en la ecuación (1) porque:
4. Problemas resueltos, PR
PR1) En un matraz se encuentran contenidas 1 partícula de soluto (roja) y 9 partículas de disolvente (azules). ¿Cuál será la concentración porcentual de partículas rojas?
PR2) Para explicar las soluciones porcentuales masa en volumen, retomemos el ejemplo del agua con sal. En un libro de química de bachillerato se menciona que, en mar abierto, la concentración de sales oscila en el rango de 32 a 37 gramos por kilogramo de agua. ¿Cuál será su concentración porcentual en masa? (CC – Química, 2016).
Para resolver el problema tenemos en primer lugar, que uniformar las unidades (1 Kg = 1000 g) y luego sustituirlas en la ecuación (1), para después simplificar y dividir:
Así que la respuesta es que en el océano abierto la concentración porcentual de sal oscila entre 3.2 y 3.7 % (3.1 – 3.8 % según la Wikipedia (Seawater, 2021)).
PR3) Aunque según la norma establecida por la Comisión Codex Alimentarius, el vinagre apto para el consumo humano debe ser producido por el procedimiento de doble fermentación, alcohólica y acética, a partir de almidón o azúcares o productos que los contengan, químicamente también podría ser preparado por dilución de ácido acético (ácido etanoico según la IUPAC) en agua. Por ejemplo, para preparar 750 mL de vinagre se pueden utilizar 37.5 mL de ácido acético. ¿Cuál sería el porcentaje en volumen del ácido acético que se obtendría? Precaución: El ácido acético puro o ácido acético glacial es un líquido inflamable, corrosivo y de olor muy picante, de temperatura de ebullición 116 - 118 °C (1013 hPa), pero de temperatura de inflamabilidad o "flash point" de tan solo 40 °C, por lo que se debe trabajar bajo la campana de extracción de gases (Hoja de seguridad en: Ácido acético, 2021).
Para resolver el problema sustituimos los datos en la ecuación 2:
Volumen del soluto = 37.5 mL
Volumen de la disolución = 750 mL
Respuesta: Al agregar 37.5 mL de ácido acético puro, en 712.5 mL de agua destilada se obtienen 750 mL de una disolución de ácido acético al 5 %.
5. Problemas sugeridos al lector, PS
PS1) ¿Quién ingiere más alcohol: una persona "A" que toma una cerveza cuyo volumen es 355 mL y su porcentaje de alcohol en volumen es de 5.3 o una persona "B" que toma una copa de ron, cuyo volumen es 35 mL y su concentración de alcohol es del 39 % en volumen? (Resuelva el problema y confirme su respuesta en: Sequin, 2009).
PS2) Si usted compra un galón de ácido clorhídrico al 37 % y quiere venderlo como "ácido muriático" que es su nombre común, a una concentración del 10 %. ¿Qué cantidad de agua deberá agregarle? ¿Qué volumen obtendrá de ácido muriático al 10 %?
Nota de seguridad:
Aunque se ha planteado la pregunta de este modo, recuerde que, para evitar accidentes, se debe agregar lentamente el ácido al agua; así que en un recipiente mayor pondrá el agua calculada y le ira agregando el ácido de partida. De hecho, recuerde que antes de manejar productos químicos debe consultar las hojas de datos de seguridad de los reactivos; por ejemplo, para el HCl escriba en Google: hds + ácido clorhídrico 37% en donde hds significa hoja de seguridad.
Parte de la hoja de seguridad del ácido muriático mostrando su pictograma y el rombo de seguridad (Tomada: de Corponor, 2015).
Ayuda:
A1) Para calcular la cantidad desconocida de dos soluciones/mezclas que son proporcionales, puedes usar la ecuación C1V1=C2V2; donde C1 y V1 son respectivamente, la concentración y el volumen inicial (Disolución al 37 %) y C2 y V2 son la concentración y el volumen final (Disolución al 10 %) (At a glance/Pharmacy calculations, 2021).
A2) Después de obtener el resultado compruebe que el soluto contenido en la disolución corresponde efectivamente al 10 %.
A3) 1 galón estadounidense = 3.785 L
A4) Descargue la hoja de seguridad del ácido clorhídrico en:
6. Ideas previas de los estudiantes de la facultad de ciencias químicas-BUAP, con respecto a las disoluciones porcentuales
Desde hace varios años, al inicio del curso "Laboratorio de química orgánica I", hemos venido aplicando un examen de diagnóstico. En una de las preguntas se pide a los estudiantes calcular una disolución porcentual, semejante al problema PS2.
Invariablemente, aunque los estudiantes ya cursaron sus materias de química general I y II de nivel licenciatura y, obviamente, las químicas de secundaria y bachillerato, tienden a sacar o a buscar los pesos atómicos en la internet, para calcular la masa molecular del compuesto en cuestión. Esto indica sin duda, que están sesgados hacia la resolución del problema usando otros tipos de concentración, en los que si se requiere saber los pesos (masas) de los átomos presentes en la fórmula molecular del soluto. Como resultado de este hecho, normalmente no obtienen el resultado correcto, incluso después del tiempo considerado como necesario para resolver el problema. Las evidencias del estudio correspondiente serán presentadas en otra parte.
7. Calculadoras de disoluciones porcentuales en-línea
Aprovechando la tecnología que tanto gusta a los estudiantes, se puede calcular el problema PL2. Para ello active la casilla "Volumen después de la dilución (V2)" e introduzca los datos C1, V1 y C2, en la calculadora Calkoo (2021).
También se puede usar la calculadora en línea de Raúl Hernández Mazariegos (GuateQuímica, 2021), para disoluciones porcentuales, normales, molares y otras más, mencionadas en el ítem 3, la cual contiene un simulador del proceso de dilución
8. Conclusión
Al quitar la mayor parte de jabón del objeto a enjuagar, se tiene menor concentración de jabón durante el enjuague; hecho que resulta en un ahorro sustancial de agua y de tiempo de lavado.
Por otra parte, se ha presentado la forma de preparar soluciones porcentuales, para lo cual no se necesita tanto conocimiento químico sino haber adquirido las habilidades matemáticas necesarias para realizar un cálculo porcentual. Así, se presentaron algunos problemas resueltos y otros sugeridos (PR y PS, respectivamente) con el fin de mostrar al lector, que las disoluciones porcentuales son de uso más cotidiano de lo que en principio puede pensarse.
