Fisioquímica

solubilidad

Solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse de una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (disolvente). Implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de disolvente, a determinadas condiciones de temperatura, e incluso presión (en caso de un soluto gaseoso). Puede expresarse en unidades de concentración: molaridad, fracción molar, etc.

Si en una disolución no se puede disolver más soluto decimos que la disolución está saturada. En algunas condiciones la solubilidad se puede sobrepasar de ese máximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas. Por el contrario si la disolución admite aún más soluto decimos que se encuentra insaturada.

No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico.

Entonces para que un compuesto sea soluble en éter etílico ha de tener escasa polaridad; es decir, tal compuesto no ha de tener más de un grupo polar. Los compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad, como son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados.

El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.

Factores que afectan la solubilidad

La solubilidad se define para fases específicas. Por ejemplo, la solubilidad de aragonito y calcita en el agua se espera que difieran, si bien ambos son polimorfos de carbonato de calcio y tienen la misma fórmula molecular.

La solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variación de entropía que acompaña a la solvatación. Factores como la temperatura y la presión influyen en este equilibrio, cambiando así la solubilidad.

La solubilidad también depende en gran medida de la presencia de otras sustancias disueltas en el disolvente como por ejemplo la existencia de complejos metálicos en los líquidos. La solubilidad dependerá también del exceso o defecto de algún ion común, con el soluto, en la solución; tal fenómeno es conocido como el efecto del ioncomún. En menor medida, la solubilidad dependerá de la fuerza iónica de las soluciones. Los dos últimos efectos mencionados pueden cuantificarse utilizando la ecuación de equilibrio de solubilidad.

Para un sólido que se disuelve en una reacción redox, la solubilidad se espera que dependa de las posibilidades (dentro del alcance de los potenciales en las que el sólido se mantiene la fase termodinámicamente estable). Por ejemplo, la solubilidad del oro en el agua a alta temperatura se observa que es casi de un orden de magnitud más alta cuando el potencial redox se controla mediante un tampón altamente oxidante redox Fe₃O₄-Fe₂O₃ que con un tampón moderadamente oxidante Ni-NiO.¹

La solubilidad (metaestable) también depende del tamaño físico del grano de cristal o más estrictamente hablando, de la superficie específica (o molar) del soluto. Para evaluar la cuantificación, se debe ver la ecuación en el artículo sobre el equilibrio de solubilidad. Para cristales altamente defectuosos en su estructura, la solubilidad puede aumentar con el aumento del grado de desorden. Ambos efectos se producen debido a la dependencia de la solubilidad constante frente a la denominada energía libre de Gibbs asociada con el cristal. Los dos últimos efectos, aunque a menudo difíciles de medir, son de relevante importancia en la práctica ^{[cita requerida]} pues proporcionan la fuerza motriz para determinar su grado de precipitación, ya que el tamaño de cristal crece de forma espontánea con el tiempo.

Temperatura

La solubilidad de un soluto en un determinado disolvente principalmente depende de la temperatura. Para muchos sólidos disueltos en el agua líquida, la solubilidad aumenta con la temperatura hasta 100 °C,² aunque existen casos que presentan un comportamiento inverso. En el agua líquida a altas temperaturas la solubilidad de los solutos iónicos tiende a disminuir debido al cambio de las propiedades y la estructura del agua líquida, el reducir los resultados de la constante dieléctrica de un disolvente menos polar.

Los solutos gaseosos muestran un comportamiento más complejo con la temperatura. Al elevarse la temperatura, los gases generalmente se vuelven menos solubles en agua (el mínimo que está por debajo de 120 °C para la mayoría de gases),³ pero más solubles en disolventes orgánicos.²

El gráfico muestra las curvas de solubilidad de algunas sales sólidas inorgánicas típicas.⁴ Muchas sales se comportan como el nitrato de bario y el arseniato ácido disódico, y muestran un gran aumento de la solubilidad con la temperatura. Algunos solutos (por ejemplo, cloruro de sodio (NaCl) en agua) exhiben una solubilidad bastante independiente de la temperatura. Unos pocos, como el sulfato de cerio (III) y el carbonato de litio, se vuelven menos solubles en agua a medida que aumenta la temperatura. Esta dependencia de la temperatura se refiere a veces como «retrógrada» o «solubilidad inversa». En ocasiones, se observa un patrón más complejo, como con sulfato de sodio, donde el cristal decahidrato menos soluble pierde agua de cristalización a 32 °C para formar una fase anhidra menos soluble. ^{[cita requerida]}

La solubilidad de los compuestos orgánicos casi siempre aumenta con la temperatura. La técnica de la recristalización, utilizado para la purificación de sólidos, depende de un soluto de diferentes solubilidades en un disolvente caliente y fría. Existen algunas excepciones, tales como determinadas ciclodextrinas.⁵

Presión

La solubilidad de los gases varía no sólo con la temperatura sino además con la presión ejercida sobre el mismo. De esta manera, la cantidad de un soluto gaseoso que puede disolverse en un determinado solvente, aumenta al someterse a una presión parcial mayor (véase Ley de Henry). A nivel industrial, esto se puede observar en el envasado de bebidas gaseosas por ejemplo, donde se aumenta la solubilidad del dióxido de carbono ejerciendo una presión de alrededor de 4 atm. 

SOLUBILIDAD EN DISOLUCIONES QUÍMICAS

¿QUÉ ES LA SOLUBILIDAD?

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad dada de disolvente a una temperatura dada. La solubilidad permite predecir si se formara un precipitado cuando se mezclan dos soluciones o cuando se agrega un soluto a la solución.

¿Haz escuchado la frase “lo semejante disuelve lo semejante”?Sin duda la haz oído de tu profesor de química o ciencias en clases!!!!. 

Esta frase se debe a que las sustancias son solubles en medios de polaridad semejante (propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas). Si tomamos como ejemplo el agua, que es el solvente que comúnmente utilizamos, veremos que no todas las sustancias son solubles en este medio. Así, el aceite, será insoluble en un medio acuoso, ya que es una sustancia apolar y el agua es una sustancia polar, por lo tanto se debiera esperar que sea insoluble en un medio acuoso. El agua, que es una molécula polar (ver figura a la derecha), disolverá compuestos polares, como el azúcar o el etanol, o compuestos iónicos como la sal común.

Los compuestos se dividen en tres grandes categorías llamadas solubles, ligeramente solubles e insolubles. Específicamente, para los líquidos se recurre a términos más específicos: miscible e inmiscible. Aquellos líquidos que pueden mezclarse entre si y formar una solución acuosa son sustancias miscibles (ejemplo: agua y alcohol), y los líquidos que no forman soluciones o son insolubles entre sí se denominan inmiscibles (ejemplo: agua y aceite).

Factores que afectan la solubilidad

La solubilidad de un compuesto en un determinado solvente depende de la naturaleza química del soluto y solvente, la temperatura y la presión.

La naturaleza del soluto y del disolvente. La solubilidad aumenta entre sustancias cuyas moléculas son análogas en sus propiedades eléctricas y estructuralmente. Cuando existe una similitud en las propiedades eléctricas del soluto y solvente, se incrementan las fuerzas intermoleculares, favoreciendo la disolución de del soluto en el solvente.

Efecto de la temperatura en la solubilidad. La temperatura de la solución afecta la solubilidad de la mayoría de las sustancias. La figura 3 muestra la dependencia entre la solubilidad en agua de algunos compuestos iónicos y la temperatura. Generalmente, la solubilidad de la sustancia sólida se incrementa con la temperatura. 
La solubilidad de los sólidos en medio acuoso se expresa de acuerdo con la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 mL de agua (g/100 mL H2O), o bien la masa de sólido, en gramos, disueltos en 100 g de agua (g/100 g H2O). El siguiente gráfico muestra la solubilidad en agua de compuestos iónicos en función de la temperatura:

La figura 3 muestra la dependencia de la solubilidad con la temperatura de algunos compuestos iónicos. En la mayoría de los compuestos la solubilidad se incrementa, al aumentar la temperatura, pero en el caso del Ce2(SO4)3 disminuye y NaCl varia en un porcentaje menor.

En contraste con la solubilidad de los sólidos, la solubilidad de los gases en agua siempre disminuye al incrementarse la temperatura. Cuando se ha calentado agua en un vaso, se puede observar burbujas de aire que se forman en las paredes del vidrio antes de que hierva, esto significa que la concentración de agua en estado gaseoso disminuye al incrementarse la temperatura.

Efecto de la presión en la solubilidad de los gases. La presión externa tiene algún grado de influencia sobre la solubilidad de líquidos y sólidos, pero afecta sustantivamente la solubilidad de los gases. Existe una relación que permite cuantificar la solubilidad de los gases y la presión. Esta relación la proporciona la ley de Henry, que establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre la disolución. Esta ley la podemos entender desde un punto de vista cualitativo, en donde la cantidad de gas que se disolverá en un solvente depende de cuan a menudo choquen las moléculas del gas con la superficie del liquido, y queden atrapadas por la fase condensada. Cuando se aumenta la presión parcial se disuelve una mayor cantidad de moléculas en el solvente, debido a que están chocando con la superficie, como se observa en la figura 4:

Dos ejemplos de este efecto, son la disolución de oxigeno molecular (O2) gaseoso en la sangre y el CO2 disuelto en las bebidas gaseosas.

Considerando las sustancias Br2, SiO2, Fe, HF y NaBr, justifique en función de sus enlaces:

1-Si son o no solubles en agua.
2-Si conducen la energía eléctrica a temperatura ambiente.

1-Si son o no solubles en agua.

Br2 SOLUBLE

El Bromo molecular es una sustancia covalente que normalmente debería ser insoluble en los disolventes polares como el agua. Sin embargo debido al gran tamaño de los átomos de bromo, y en consecuencia de la nube electrónica de la molécula, la molécula del agua, que es un dipolo, puede deformar la nube electrónica de la molécula del dibromo, creando en ella una asimetría, y por lo tanto un dipolo inducido. La interacción entre el dipolo permanente, agua, y el dipolo inducido, dibromo, hace que esta molécula pueda disolverse.

Un enfrentamiento de la molécula del agua con la del dibromo en esta disposición, hace que la molécula de dibromo se deforme cuando se da la interacción entre el dipolo agua y el dipolo inducido Br2.

Al Br2 disuelto se le llama agua de bromo.

SiO2 INSOLUBLE

El nombre de dióxido de silicio, así como la formulación SiO2 son poco afortunados, pues pueden sugerir la presencia de moléculas aisladas. En realidad el SiO2 es un edificio cristalino inmenso formado por átomos de silicio tetraédricos, con un oxígeno en cada vértice, de modo que cada oxígeno es compartido por dos tetraedros. De ahí que la composición centesimal del compuesto responda a la fórmula de SiO2.

Pese a que cada enlace Si-O tiene un alto carácter iónico, lo cual podría hacer pensar que el compuesto sería soluble en agua, la enorme cantidad de energía que se desprende en la formación de la red cristalina hace el compuesto insoluble, pues sería necesario aportar esa cantidad de energía para disgregar el cristal.

La forma vítrea, que es de hecho el vidrio en sentido general, tampoco es soluble pues los enlaces siguen siendo muy fuertes.

Fe INSOLUBLE

Sabemos que los metales sólidos son cristales en cuyos nodos se encuentran iones positivos, y con electrones libres moviéndose en los espacios internodales. Los iones positivos se encontrarán fuertemente sujetos al cristal por lo cual será difícil que un dipolo como el agua pueda arrancar iones.

Basándonos en el modelo de bandas podremos hacer la misma afirmación. Como a cada banda de niveles energéticos podemos asignar un número grande de átomos, estos se encontrarán fuertemente atrapados en el cristal y no se disolverán. No obstante, siempre podrá disolverse un número muy pequeño de nodos, iones positivos atrapados por las moléculas de agua.

Este pequeño número de iones disuelto, que da lugar a que el metal se quede cargado negativamente cuando el ion se dispersa en el medio acuoso (aunque con una carga muy pequeña), es el responsable de la diferencia de potencial que se establece entre el metal y la disolución acuosa.

HF SOLUBLE

En el fluoruro de hidrógeno, debido a la gran diferencia de electronegatividad entre el H y el F, el enlace es covalente fuertemente polar, por lo que es soluble en agua, al producir fácilmente la interacción entre el dipolo agua y los polos positivo, H , y negativo, F, del fluoruro de hidrógeno.

Sin embargo, debido a esta fuerte polaridad en el enlace H-F, se forman cadenas de un número indeterminado de moléculas por enlace puente de hidrógeno, lo cual hace que su peso molecular aparente sea alto y le dé un aspecto oleaginoso, llegando a poder presentarse sólido.

El acceso de las moléculas de agua a los polos, para romper los puentes de H en el HF y solvatar los protones (formando cationes hidronio) y los aniones fluoruro, es más difícil que en los otros hidrácidos de los halógenos (HCl, HBr, HI), en los cuales las moléculas no forman cadenas. La solubilidad del fluoruro de hidrógeno es menor pese a que su polaridad es mayor.

NaBr SOLUBLE

El NaBr es un compuesto iónico, con una separación de cargas neta. En la estructura cristalina encontramos iones Na+ y Br-. Estos iones pueden ser "pinzados" por la molécula del disolvente, y dispersarse en el seno del mismo.

Las moléculas de agua, que aportan energía cinética, se llevan poco a poco los iones de la superficie del cristal, empezando por los vértices y las aristas que son los más accesibles.

Los iones se quedaran rodeados por moléculas del disolvente, es decir, solvatados.

2-Si conducen la energía eléctrica a temperatura ambiente.

La disolución del Br2 en agua no conducirá la corriente eléctrica, pues en el agua de bromo no hay más iones que los H3O+ y OH- de la disociación del agua, y su concentración es insuficiente para que sea conductora

Sin embargo las disoluciones de HF y de NaBr son conductoras, pues en ellas si se encuentran verdaderos iones con una gran libertad de movimiento, lo cual permitirá la circulación de corriente.