11.3: La Solubilidad
habilidades para desarrollar
- Describir los efectos de la temperatura y la presión en la solubilidad.
- Establecer la ley de Henry y usarla en los cálculos que involucren la solubilidad de un gas en un líquido
- Explicar los grados de solubilidad posibles para soluciones de líquido-líquido.
Imagine agregando una pequeña cantidad de sal a un vaso de agua, revolviendo la solución hasta que toda la sal se haya disuelto, y luego agregando un poco más sal. Puede repetir este proceso hasta que la concentración de sal en la solución alcance su límite natural, un límite determinado principalmente por las fuerzas relativas de las fuerzas atractivas de soluto-soluto, soluto-solvente y solvente-solvente discutidas en los dos módulos anteriores de este capítulo. Puede estar seguro de que ha alcanzado este límite porque, sin importar cuánto tiempo agite la solución, la sal no se disuelve permanentemente. La concentración de sal en la solución en este punto se conoce como su solubilidad.
La solubilidad de un soluto en un solvente particular es la concentración máxima que se puede lograr bajo condiciones dadas cuando el proceso de disolución está en equilibrio . Refiriéndose al ejemplo de sal en el agua:
\[\ce{NaCl}(s)⇌\ce{Na+}(aq)+\ce{Cl-}(aq) \label{11.4.1}\]
Cuando la concentración de un soluto es igual a su solubilidad, se dice que la solución está saturada con ese soluto. Si la concentración del soluto es menor que su solubilidad, se dice que la solución es insaturada. Una solución que contiene una concentración relativamente baja de soluto se llama diluida, y una con una concentración relativamente alta se llama concentrada.
Si agregamos más sal a una solución saturada de sal, vemos que cae al fondo y no parece que se disuelva más. De hecho, la sal añadida se disuelve, como se representa por la dirección hacia adelante de la ecuación de disolución. Acompañando a este proceso, la sal disuelta se precipitará, como se muestra en la dirección inversa de la ecuación. Se dice que el sistema está en equilibrio cuando estos dos procesos recíprocos ocurren a velocidades iguales, por lo que la cantidad de sal no disuelta y disuelta permanece constante. El apoyo para la ocurrencia simultánea de los procesos de disolución y precipitación se proporciona al observar que el número y los tamaños de los cristales de sal no disueltos cambiarán con el tiempo, aunque su masa combinada seguirá siendo la misma.
Video \(\PageIndex{1}\): Mire este impresionante vídeo que muestra la precipitación del acetato de sodio de una solución sobresaturada.
Se pueden preparar soluciones en las que una concentración de soluto excede su solubilidad. Se dice que estas soluciones están sobresaturadas, y son ejemplos interesantes de estados de no equilibrio . Por ejemplo, la bebida carbonatada en un recipiente abierto que aún tiene gas está sobresaturada con gas de dióxido de carbono; tiempo dado, la concentración de CO 2 disminuirá hasta que alcance su valor de equilibrio.
Soluciones de gases en líquidos
En un módulo anterior de este capítulo, se discutió el efecto de las fuerzas de atracción intermoleculares en la formación de la solución. Las estructuras químicas del soluto y el disolvente dictan los tipos de fuerzas posibles y, en consecuencia, son factores importantes para determinar la solubilidad. Por ejemplo, en condiciones similares, la solubilidad en agua del oxígeno es aproximadamente tres veces mayor que la del helio, pero 100 veces menor que la solubilidad del clorometano, CHCl 3 . Teniendo en cuenta el papel de la estructura química del disolvente, tenga en cuenta que la solubilidad del oxígeno en el hexano hidrocarbonado líquido, C 6 H 14 , es aproximadamente 20 veces mayor que en el agua.
Otros factores también afectan la solubilidad de una sustancia dada en un disolvente dado. La temperatura es uno de esos factores, y la solubilidad del gas generalmente disminuye a medida que aumenta la temperatura (Figura \(\PageIndex{1}\)). Este es uno de los principales impactos resultantes de la contaminación térmica de los cuerpos de agua naturales.
Cuando la temperatura de un río, lago o arroyo se eleva de manera anormal, generalmente debido a la descarga de agua caliente de algún proceso industrial, la solubilidad del oxígeno en el agua disminuye. La disminución de los niveles de oxígeno disuelto puede tener serias consecuencias para la salud de los ecosistemas del agua y, en casos graves, puede provocar la muerte de peces a gran escala (Figura \(\PageIndex{2}\)).
La solubilidad de un soluto gaseoso también es afectada por la presión parcial del soluto en el gas al que está expuesta la solución. La solubilidad del gas aumenta a medida que aumenta la presión del gas. Las bebidas carbonatadas proporcionan una buena ilustración de esta relación. El proceso de carbonatación involucra exponer la bebida a una presión relativamente alta de dióxido de carbono y luego sellar el recipiente de la bebida, saturando la bebida con CO 2 a esta presión. Cuando se abre el recipiente de la bebida, se escucha un siseo familiar cuando se libera la presión del gas de dióxido de carbono, y se ve que parte del dióxido de carbono disuelto deja la solución en forma de pequeñas burbujas (Figura \(\PageIndex{3}\)). En este punto, la bebida está sobresaturada con dióxido de carbono y, con el tiempo, la concentración de dióxido de carbono disuelto disminuirá a su valor de equilibrio y la bebida no tendrá gas de dióxido de carbono.
Para muchos solutos gaseosos, la relación entre la solubilidad, C g y la presión parcial, P g , es proporcional:
donde k es una constante de proporcionalidad que depende de las identidades del soluto y el solvente gaseoso, y de la temperatura de la solución. Esta es una declaración matemática de la ley de Henry: la cantidad de un gas ideal que se disuelve en un volumen definido de líquido es directamente proporcional a la presión del gas.
Ejemplo \(\PageIndex{1}\): APLICACIÓN DE LA LEY DE HENRY
A 20 °C, la concentración del oxígeno disuelto en el agua expuesta al oxígeno gaseoso a una presión parcial de 101.3 kPa (760 torr) es 1.38 × 10 −3 mol L − 1 . Use la ley de Henry para determinar la solubilidad del oxígeno cuando su presión parcial es de 20.7 kPa (155 torr), la presión aproximada del oxígeno en la atmósfera de la tierra.
Solución
Según la ley de Henry, para una solución ideal, la solubilidad, C g , de un gas (1.38 × 10 −3 mol L − 1 , en este caso) es directamente proporcional a la presión, P g , del gas no disuelto sobre la solución (101.3 kPa, o 760 torr, en este caso). Porque ya sabemos C g y P g , podemos reorganizar esta expresión para resolver para k .
\[\begin{align*}
C_\ce{g}&=kP_\ce{g}\\[5pt]
k&=\dfrac{C_\ce{g}}{P_\ce{g}}\\[5pt]
&=\mathrm{\dfrac{1.38×10^{−3}\:mol\:L^{−1}}{101.3\:kPa}}\\[5pt]
&=\mathrm{1.36×10^{−5}\:mol\:L^{−1}\:kPa^{−1}}\\[5pt]
&\hspace{15px}\mathrm{(1.82×10^{−6}\:mol\:L^{−1}\:torr^{−1})}
\end{align*}\]
Ahora podemos usar k para encontrar la solubilidad a la presión más baja.
\[C_\ce{g}=kP_\ce{g}\]
\[\mathrm{1.36×10^{−5}\:mol\:L^{−1}\:kPa^{−1}×20.7\:kPa\\[5pt]
(or\:1.82×10^{−6}\:mol\:L^{−1}\:torr^{−1}×155\:torr)\\[5pt]
=2.82×10^{−4}\:mol\:L^{−1}}\]
Tenga en cuenta que se pueden usar varias unidades para expresar las cantidades involucradas en este tipo de cálculos. Cualquier combinación de unidades que cedan ante las restricciones del análisis dimensional son aceptables.
Ejercicio \(\PageIndex{1}\)
La exposición de una muestra de agua de 100.0 mL a 0 °C a una atmósfera que contenía un soluto gaseoso a 20.26 kPa (152 torr) resultó en la disolución de 1.45 × 10 −3 g del soluto. Use la ley de Henry para determinar la solubilidad de este soluto gaseoso cuando su presión es de 101.3 kPa (760 torr).
- Respuesta
-
7.25 × 10 −3 g in 100.0 mL or 0.0725 g/L
ESTUDIO DE CASO: ENFERMEDAD DE DESCOMPRESIÓN
La enfermedad de descompresión (DCS), es un efecto causado por el aumento de la presión del aire inhalado por los buzos cuando nadan bajo del agua a profundidades considerables. Además de la presión ejercida por la atmósfera, los buzos experimentan una presión adicional debido al agua sobre ellos, experimentando un aumento de aproximadamente 1 atm por cada 10 m de profundidad. Por lo tanto, el aire inhalado por un buzo mientras está sumergido contiene gases a la presión ambiental más alta correspondiente, y las concentraciones de los gases disueltos en la sangre del buzo son proporcionalmente más altas según la ley de Henry.
A medida que el buzo asciende a la superficie del agua, la presión ambiental disminuye y los gases disueltos se vuelven menos solubles. Si el ascenso es demasiado rápido, los gases que escapan de la sangre del buzo pueden formar burbujas que pueden causar una variedad de síntomas que van desde erupciones cutáneas y dolor en las articulaciones hasta parálisis y muerte. Para evitar DCS, los buzos deben ascender desde profundidades a velocidades relativamente lentas (10 o 20 m/min) o de lo contrario hacer varias paradas de descompresión, deteniéndose durante varios minutos a profundidades determinadas durante el ascenso. Cuando estas medidas preventivas no tienen éxito, los buzos con DCS a menudo reciben terapia de oxígeno hiperbárico en vasos presurizados llamados cámaras de descompresión (o recompresión) (Figura \(\PageIndex{4}\)).
Se observan desviaciones de la ley de Henry cuando se produce una reacción química entre el soluto gaseoso y el solvente. Así, por ejemplo, la solubilidad del amoníaco en el agua no aumenta tan rápidamente con el aumento de la presión como lo predice la ley porque el amoníaco, como base, reacciona en cierta medida con el agua para formar iones de amonio e iones de hidróxido.
Soluciones de líquidos en líquidos
Sabemos que algunos líquidos se mezclan entre sí en todas las proporciones; en otras palabras, tienen una solubilidad mutua infinita y se dice que son miscibles. El etanol, el ácido sulfúrico y el etilenglicol (popular para su uso como anticongelante), ilustrado en la Figura \(\PageIndex{6}\)) son ejemplos de líquidos que son completamente miscibles con el agua. El aceite de motor de dos ciclos es miscible con la gasolina.
Los líquidos que se mezclan con el agua en todas las proporciones suelen ser sustancias polares o sustancias que forman enlaces de hidrógeno. Para tales líquidos, las atracciones de dipolo-dipolo (o enlace de hidrógeno) de las moléculas de soluto con las moléculas de disolvente son al menos tan fuertes como las que existen entre las moléculas en el soluto puro o en el disolvente puro. Por lo tanto, los dos tipos de moléculas se mezclan fácilmente. Del mismo modo, los líquidos no polares son miscibles entre sí porque no hay una diferencia apreciable en las fuerzas de las atracciones intermoleculares soluto-soluto, solvente-solvente y soluto-solvente. La solubilidad de las moléculas polares en solventes polares y de las moléculas no polares en solventes no polares es, nuevamente, una ilustración del axioma químico "lo similar se disuelve como".
Dos líquidos que no se mezclan en un grado apreciable se llaman inmiscibles. Las capas se forman cuando vertimos líquidos inmiscibles en el mismo recipiente. La gasolina, el aceite (Figura \(\PageIndex{7}\)), el benceno, el tetracloruro de carbono, algunas pinturas y muchos otros líquidos no polares son inmiscibles con el agua. La atracción entre las moléculas de tales líquidos no polares y las moléculas del agua que es polar es ineficazmente débil. Las únicas atracciones fuertes en una mezcla de este tipo son las moléculas del agua, por lo que efectivamente excluyen las moléculas del líquido no polar. La distinción entre inmiscibilidad y miscibilidad es realmente de grados, de modo que los líquidos miscibles tienen una solubilidad mutua infinita, mientras que los líquidos que se dice que son inmiscibles tienen una solubilidad mutua muy baja (aunque no cero).
Se dice que dos líquidos, como el bromo y el agua, que son de solubilidad mutua moderada son parcialmente miscibles. Dos líquidos parcialmente miscibles generalmente forman dos capas cuando se mezclan. En el caso de la mezcla del bromo y el agua, la capa superior es el agua saturada con el bromo y la capa inferior es el bromo saturado con el agua. Como el bromo no es polar y, por lo tanto, no es muy soluble en el agua, la capa del agua se discolora
un poco por el bromo naranja brillante disuelto en el agua. Dado que la solubilidad del agua en bromo es muy baja, no hay un efecto notable en el color oscuro de la capa de bromo (Figura \(\PageIndex{8}\)).
Soluciones de sólidos en líquidos
Las curvas de solubilidad en la Figura \(\PageIndex{9}\) muestran la dependencia de la solubilidad de la temperatura para una serie de sólidos inorgánicos en el agua. La revisión de estos datos indica una tendencia general de aumento de la solubilidad con la temperatura, aunque hay excepciones, como lo ilustra el compuesto iónico de sulfato de cerio.
La dependencia de la temperatura de la solubilidad puede aprovecharse para preparar soluciones sobresaturadas de ciertos compuestos. Una solución se puede saturar con un compuesto a una temperatura elevada (donde el soluto es más soluble) y posteriormente enfriarse a una temperatura más baja sin precipitar el soluto. La solución resultante contiene soluto a una concentración mayor que su solubilidad de equilibrio a la temperatura más baja (es decir, está sobresaturada) y es relativamente estable. La precipitación del exceso de soluto puede iniciarse por agregando un cristal semilla (vea el video en el Enlace al Aprendizaje que se vio anteriormente en este módulo) o agitando mecánicamente la solución. Algunos calentadores de manos, como el que se muestra en la Figura \(\PageIndex{10}\), aprovechan de este comportamiento.
Video \(\PageIndex{2}\): Este video muestra el proceso de cristalización que ocurre en un calentador de manos.
Resumen
La medida en que una sustancia se disolverá en otra sustancia está determinada por varios factores, incluidos los tipos y las fuerzas relativas de las fuerzas de atracción intermoleculares que pueden existir entre los átomos, los iones o las moléculas de las sustancias. Esta tendencia a disolverse se cuantifica como la solubilidad de la sustancia, su concentración máxima en una solución en equilibrio bajo condiciones específicas. Una solución saturada contiene soluto a una concentración igual a su solubilidad. Una solución sobresaturada es aquella en la que la concentración de un soluto excede su solubilidad, una condición de no equilibrio (inestable) que dará como resultado la precipitación del soluto cuando la solución se perturbe adecuadamente. Los líquidos miscibles son solubles en todas las proporciones, y los líquidos inmiscibles exhiben una solubilidad mutua muy baja. Las solubilidades para los solutos gaseosos disminuyen con el aumento de la temperatura, mientras que las de la mayoría, pero no todos, los solutos sólidos aumentan con la temperatura. La concentración de un soluto gaseoso en una solución es proporcional a la presión parcial del gas al que está expuesta la solución, una relación conocida como la ley de Henry.
Ecuaciones Clave
- \(C_\ce{g}=kP_\ce{g}\)
Glosario
- ley de Henry
- Ley que establece la relación proporcional entre la concentración de gas disuelto en una solución y la presión parcial del gas en contacto con la solución.
- inmiscible
- de insignificante solubilidad mutua; típicamente se refiere a sustancias líquidas
- miscible
- mutuamente solubles en todas las proporciones; típicamente se refiere a sustancias líquidas
- parcialmente miscible
- de moderada solubilidad mutua; típicamente se refiere a sustancias líquidas
- saturado
- de concentración igual a solubilidad; que contiene la concentración máxima de soluto posible para una temperatura y presión dada
- solubilidad
- medida en que se puede disolver un soluto en agua o cualquier solvente
- sobresaturada
- de concentración que excede la solubilidad; un estado de no equilibrio
- insaturado
- de concentración menor que la solubilidad
Contribuyentes
-
Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
-
Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.