6.6: Temperatura y Solubilidad

¿También se puede predecir el efecto de la temperatura sobre la solubilidad? Si elevas la temperatura, ¿aumenta o disminuye la solubilidad de un soluto? Sería razonable suponer que aumentar la temperatura aumenta la solubilidad. Pero recuerda que ambos\(\Delta \mathrm{H}\) y\(\Delta \mathrm{S}\) tienen un papel, y un aumento de la temperatura aumenta el efecto de los cambios en la entropía. Disolver soluto en disolvente es probable que aumente la entropía (si\(\Delta \mathrm{S}\) es positiva), pero no siempre es así. Considera lo que sucede cuando calientas el agua de la estufa. Las burbujas de gas se liberan del líquido mucho antes de que el agua alcance su punto de ebullición. A bajas temperaturas, estas burbujas contienen aire (principalmente\(\mathrm{N}_{2}\),\(\mathrm{O}_{2}\)) que se disolvió en el agua. ^[10] ¿Por qué? Porque la solubilidad de la mayoría de los gases en el agua disminuye a medida que aumenta la temperatura Podemos rastrear la razón de esto hasta la entropía de la solución. La mayoría de los gases tienen atracciones intermoleculares muy pequeñas — esta es la razón por la que son gases después de todo. Las moléculas de gas no se pegan entre sí y forman sólidos y líquidos. Por lo tanto, no tienen una solubilidad muy alta en agua. Como ejemplo, la solubilidad de\(\mathrm{O}_{2}\) en agua es\(8.3 \mathrm{~mg/L}\) (a\(25 { }^{\circ}\mathrm{C}\) y 1 atmósfera).

La mayoría de los gases tienen una entalpía de solución ligeramente favorable (negativa) y una entropía de solución ligeramente desfavorable (negativa). El efecto sobre la entalpía se remonta a las atracciones dipolares inducidas por dipolo formadas cuando el gas se disuelve en la solución. La disminución de la entropía se debe al hecho de que las moléculas de gas ya no están libres para deambular, su entropía posicional está más restringida dentro de la fase líquida que en la fase gaseosa. Cuando se aumenta la temperatura las moléculas de gas tienen más energía cinética y por lo tanto más de ellas pueden escapar de la solución, aumentando su entropía a medida que regresan a la fase gaseosa. Así, la solubilidad de\(\mathrm{O}_{2}\) y otros gases disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto puede producir problemas ambientales, porque hay menos oxígeno disponible para los organismos que viven en el agua. Una fuente común de contaminación térmica ocurre cuando las plantas de energía y las instalaciones de fabricación expulsan agua caliente al ambiente.

Soluciones de Sólidos en Sólidos: Aleaciones

Otro tipo de solución ocurre cuando dos o más elementos, típicamente metales, se funden y mezclan entre sí para que sus átomos puedan intercalarse, formando una aleación. Tras la re-solidificación, los átomos se fijan en el espacio entre sí y la aleación resultante tiene propiedades diferentes a las de los dos metales separados. El bronce fue una de las primeras aleaciones conocidas. Su componente principal es el cobre (\(\sim 90%\)) y su componente menor es el estaño (\(\sim 10%\)), aunque también se pueden incluir otros elementos como el arsénico o el fósforo.

La Edad del Bronce fue un importante salto adelante en la historia de la humanidad. ^[11] Antes del bronce, los únicos metales disponibles eran aquellos que ocurrieron naturalmente en su forma elemental, típicamente plata, cobre y oro, que no eran muy adecuados para formar armas y armaduras. El bronce es más duro y duradero que el cobre porque los átomos de estaño sustituyen a los átomos de cobre en la red sólida. Su estructura tiene interacciones de unión metálicas más fuertes, lo que la hace más dura y menos deformable, con un punto de fusión más alto que el cobre mismo. Los artefactos (armas, macetas, estatuas, etc.) hechos de bronce son muy apreciados. Antes del bronce, los únicos metales disponibles eran aquellos que ocurrieron naturalmente en su forma elemental, típicamente plata, cobre y oro.

El acero es otro ejemplo de una solución sólido-sólida. Es un solvente de hierro con un soluto de carbono. Los átomos de carbono no reemplazan a los átomos de hierro, sino que encajan en los espacios entre ellos; esto a menudo se llama aleación intersticial. Debido a que hay más átomos por unidad de volumen, el acero es más denso, más duro y menos metálico que el hierro. Los átomos de carbono no están en la red original, por lo que afectan más las propiedades metálicas y hacen que sea más difícil que los átomos se muevan unos con respecto a otros. El acero es más rígido, menos maleable y conduce la electricidad y el calor de manera menos efectiva que el hierro.

¿La formación de una solución es una reacción?

Todavía no hemos considerado lo que sucede durante una reacción química: un proceso donde los átomos presentes en el material de partida se reordenan para producir diferentes especies químicas. Quizás estés pensando: “¿No es la formación de una solución una reacción química?” Si disolvemos etanol en agua, ¿la mezcla contiene especies químicamente diferentes a las de los dos componentes por separado? La respuesta es no: todavía hay moléculas de etanol y moléculas de agua. ¿Qué pasa cuando una sustancia iónica se disuelve en agua? Por ejemplo, el cloruro de sodio debe separarse en iones de sodio y cloruro para disolverse. ¿Eso es una reacción? Ciertamente las interacciones se rompen (las interacciones entre\(\mathrm{Na}^{+} \mathrm{~Cl}^{-}\) iones) y se hacen nuevas interacciones (entre\(\mathrm{Na}^{+}\) iones y agua e\(\mathrm{Cl}^{-}\) iones y agua), pero la disolución de una sal no se ha clasificado tradicionalmente como reacción, aunque parece ajustarse a los criterios. ^[12] En lugar de cuestionar sobre lo que constituye una reacción, avancemos por el espectro de posibles cambios y veamos qué sucede cuando disuelves una especie molecular en el agua y ésta forma iones.

Cuando disuelves el cloruro de hidrógeno,\(\mathrm{HCl}\) (un gas blanco, asfixiante), en el agua obtienes una sustancia química completamente nueva: el ácido clorhídrico (o ácido muriático como se le conoce en las ferreterías), uno de los ácidos fuertes comunes. Esta reacción se puede escribir:\[\mathrm{HCl}(g)+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{HCl}(aq)\]

Esto es un poco taquigrafía porque en realidad comenzamos con mucha agua, pero no mucha de ella se usa en la reacción. Indicamos este hecho usando el símbolo aq para acuoso, lo que implica que las\(\mathrm{HCl}\) moléculas se disuelven en agua (pero como veremos ahora ya no son moléculas). Es importante reconocer que el ácido clorhídrico,\(\mathrm{HCl}(aq)\), tiene propiedades que son bastante distintas de las del cloruro de hidrógeno gaseoso\(\mathrm{HCl}(g)\). Los procesos que forman ácido clorhídrico son algo similares a los que forman una solución de cloruro de sodio, excepto que en este caso es el enlace covalente entre\(\mathrm{H}\) y\(\mathrm{Cl}\) que se rompe y\(\mathrm{O}\) se forma un nuevo enlace covalente entre\(\mathrm{H}\) y al mismo tiempo. \[\mathrm{HCl}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}+\mathrm{Cl}^{-}\]

Llamamos a esta reacción reacción ácido-base. En el siguiente capítulo, consideraremos esta y otras reacciones con (mucho) mayor detalle.

Preguntas

Preguntas para responder

¿Se puede convertir la solubilidad de\(\mathrm{O}_{2}\) en agua en molaridad (moles soluto (\(\mathrm{O}_{2}\))/solución litro)?

Si la solubilidad de los gases depende de las interacciones dipolo-dipolo inducidas, ¿cuál cree que es la tendencia en solubilidad para los gases nobles (\(\mathrm{He}\),\(\mathrm{Ne}\),\(\mathrm{Ar}\),\(\mathrm{Kr}\),\(\mathrm{Xe}\))?

¿Qué más podría aumentar la solubilidad de un gas (además de bajar la temperatura)? (Pista: ¿Cómo se embotellan las bebidas carbonatadas?)

¿Por qué crees que la plata, el cobre y el oro suelen aparecer de forma natural como elementos (en lugar de compuestos)?

Dibuja una imagen a nivel atómico de lo que imaginas que parece el bronce y compárela con una imagen similar de acero.

Usa estas imágenes para explicar las propiedades del bronce y el acero, en comparación con el cobre y el hierro.

Preguntas para reflexionar

• ¿Por qué crees que la Edad del Hierro siguió a la Edad del Bronce? (Pista: ¿El hierro ocurre normalmente en su forma elemental? ¿Por qué no?)
• ¿Cómo influyeron las propiedades del bronce y el acero en la historia humana?