7.7: Solubilidad

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Resultados de aprendizaje

Enumere ejemplos de soluciones hechas a partir de diferentes combinaciones soluto-disolvente.
Distinguir entre soluciones saturadas e insaturadas.
Explicar los efectos de la temperatura sobre la solubilidad de sólidos y gases.
Utilizar una curva de solubilidad para determinar las solubilidades de sustancias a diversas temperaturas.
Explicar el efecto de la presión sobre la solubilidad de los gases.

Anteriormente, analizamos las características primarias de una solución y cómo el agua es capaz de disolver solutos sólidos. Hay muchos ejemplos de soluciones que no involucran agua en absoluto, o soluciones que involucran solutos que no son sólidos. La siguiente tabla resume las posibles combinaciones de estados soluto-disolvente, junto con ejemplos de cada uno.

\ (\ PageIndex {1}\): Combinaciones de soluto-disolvente">

Tabla\(\PageIndex{1}\): Combinaciones de soluto-disolvente
Estado de soluto	Estado Solvente	Ejemplo
líquido	gas	agua en el aire
gas	gas	oxígeno en nitrógeno (mezcla de gases)
sólido	líquido	sal en agua
líquido	líquido	alcohol en agua
gas	líquido	dióxido de carbono en el agua
sólido	sólido	zinc en cobre (aleación de latón)
líquido	sólido	mercurio en plata y estaño (amalgama dental)

El aire es una mezcla homogénea de muchos gases diferentes y, por lo tanto, califica como solución. Las soluciones sólido-sólidas, como el latón, el bronce y la plata esterlina, se llaman aleaciones. Los peces dependen del gas oxígeno que se disuelve en el agua que se encuentra en océanos, lagos y ríos (ver figura abajo). Si bien las soluciones sólido-líquido y acuosas comprenden la mayoría de las soluciones que se encuentran en el laboratorio de química, es importante estar al tanto de las otras posibilidades.

Tasa de disolución

Sabemos que la disolución de un sólido por el agua depende de las colisiones que ocurren entre las moléculas de disolvente y las partículas en el cristal sólido. Cualquier cosa que se pueda hacer para aumentar la frecuencia de esas colisiones y/o darle más energía a esas colisiones aumentará la velocidad de disolución. Imagina que estabas tratando de disolver un poco de azúcar en un vaso de té. Un paquete de azúcar granulada se disolvería más rápido que un cubo de azúcar. La velocidad de disolución se incrementaría agitando, o agitando la solución. Por último, el azúcar se disolvería más rápido en el té caliente que en el té frío.

Superficie

La velocidad a la que se disuelve un soluto depende del tamaño de las partículas de soluto. La disolución es un fenómeno superficial, ya que depende de que las moléculas de disolvente colisionen con la superficie externa del soluto. Una cantidad dada de soluto se disuelve más rápido cuando se muele en partículas pequeñas que si está en forma de un pedazo grande, debido a que se expone más área superficial. El paquete de azúcar granulada expone mucha más superficie al solvente y se disuelve más rápidamente que el cubo de azúcar.

Agitación de la Solución

Disolver el azúcar en el agua ocurrirá más rápidamente si se agita el agua. La agitación permite que las moléculas de disolvente fresco estén continuamente en contacto con el soluto. Si no se agita, entonces el agua justo en la superficie del soluto se satura con moléculas de azúcar disueltas, lo que significa que es más difícil que el soluto adicional se disuelva. El cubo de azúcar eventualmente se disolvería porque los movimientos aleatorios de las moléculas de agua pondrían suficiente solvente fresco en contacto con el azúcar, pero el proceso tardaría mucho más. Es importante darse cuenta de que ni agitar ni romper un soluto afectan la cantidad global de soluto que se disuelve. Sólo afecta la velocidad de disolución.

Temperatura

El calentamiento del disolvente da a las moléculas más energía cinética. El movimiento más rápido significa que las moléculas de solvente sólido o líquido chocan con el soluto con mayor frecuencia, y las colisiones ocurren con más fuerza. Ambos factores aumentan la velocidad a la que se disuelve el soluto sólido o líquido. Como veremos en la siguiente sección, un cambio de temperatura no sólo afecta la velocidad de disolución, sino que también afecta la cantidad de soluto que se puede disolver.

Tipos de Soluciones

La sal de mesa se disuelve\(\left( \ce{NaCl} \right)\) fácilmente en agua. Supongamos que tienes un vaso de precipitados de agua al que le agregas un poco de sal, revolviendo hasta que se disuelva. Entonces agregas más, y eso también se disuelve. Si sigues agregando más y más sal, eventualmente llegarás a un punto en el que no más de la sal se disolverá, no importa cuánto tiempo o cuán vigorosamente la revuelvas. ¿Por qué? A nivel molecular, sabemos que la acción del agua hace que los iones individuales se separen del cristal de sal y entren en la solución, donde permanecen hidratados por moléculas de agua. Lo que también sucede es que algunos de los iones disueltos vuelven a colisionar con el cristal y permanecen ahí. La recristalización es el proceso de retorno del soluto disuelto al estado sólido. En algún momento, la velocidad a la que se disuelve la sal sólida se vuelve igual a la velocidad a la que se recristaliza el soluto disuelto. Cuando se alcanza ese punto, la cantidad total de sal disuelta permanece sin cambios.

Cuando se alcanza el punto de equilibrio de la solución y no se disolverá más soluto, se dice que la solución está saturada. Una solución saturada es una solución que contiene la cantidad máxima de soluto que es capaz de disolverse. En\(20^\text{o} \text{C}\), la cantidad máxima de\(\ce{NaCl}\) que se disolverá en\(100. \: \text{g}\) de agua es\(36.0 \: \text{g}\). Si\(\ce{NaCl}\) se agrega más allá de ese punto, no se disolverá porque la solución está saturada. ¿Y si en su lugar se agrega más agua a la solución? Ahora, más\(\ce{NaCl}\) serían capaces de disolverse, ya que hay disolvente adicional presente. Una solución insaturada es una solución que contiene menos de la cantidad máxima de soluto que es capaz de disolverse. La siguiente figura ilustra el proceso anterior, y muestra la distinción entre insaturados y saturados.

¿Cómo se puede saber si una solución está saturada o insaturada? Si se agrega más soluto y no se disuelve, entonces la solución original se saturó. Si el soluto agregado se disuelve, entonces la solución original estaba insaturada. Una solución que tenga soluto extra sin disolver en el fondo del recipiente, debe estar saturada (ver figura abajo).

Valores de Solubilidad

La solubilidad de una sustancia es la cantidad de esa sustancia que se requiere para formar una solución saturada en una cantidad dada de disolvente a una temperatura especificada. La solubilidad a menudo se mide en gramos de soluto por\(100 \: \text{g}\) disolvente. La solubilidad del cloruro de sodio en agua es\(36.0 \: \text{g}\) por\(100 \: \text{g}\) de agua a\(20^\text{o} \text{C}\). La temperatura debe especificarse porque la solubilidad varía con la temperatura. Para los gases, también se debe especificar la presión. La solubilidad es específica para un disolvente en particular. Es decir, la solubilidad del cloruro de sodio sería diferente en otro disolvente. Para los efectos de este texto, la solubilidad de una sustancia se referirá a la solubilidad acuosa a menos que se especifique lo contrario. Las solubilidades para diferentes solutos tienen una variación muy amplia, como puede verse por los datos que se presentan en la siguiente tabla.

Tabla\(\PageIndex{2}\): Solubilidad de solutos a diferentes temperaturas (\(\text{g}\)soluto en\(100 \: \text{g} \: \ce{H_2O}\))
Sustancia	\(0^\text{o} \text{C}\)	\(20^\text{o} \text{C}\)	\(40^\text{o} \text{C}\)	\(60^\text{o} \text{C}\)	\(80^\text{o} \text{C}\)	\(100^\text{o} \text{C}\)
\(\ce{AgNO_3}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">122	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">216	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">311	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">440	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">585	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">733
\(\ce{Ba(OH)_2}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">1.67	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">3.89	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">8.22	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">20.94	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">101.4	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">__
\(\ce{C_{12}H_{22}O_{11}}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">179	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">204	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">238	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">287	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">362	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">487
\(\ce{Ca(OH)_2}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.189	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.173	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.141	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.121	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">__	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.07
\(\ce{KCl}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">28.0	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">34.2	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">40.1	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">45.8	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">51.3	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">56.3
\(\ce{KI}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">128	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">144	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">162	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">176	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">192	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">206
\(\ce{KNO_3}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">13.9	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">31.6	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">61.3	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">106	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">167	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">245
\(\ce{LiCl}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">69.2	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">83.5	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">89.8	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">98,4	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">112	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">128
\(\ce{NaCl}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">35.7	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">35.9	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">36.4	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">37.1	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">38.0	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">39.2
\(\ce{NaNO_3}\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">73	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">87.6	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">102	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">122	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">148	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">180
\(\ce{CO_2}\)\(\left( 1 \: \text{atm} \right)\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.335	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.169	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.0973	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.058	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">__	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">__
\(\ce{O_2}\)\(\left( 1 \: \text{atm} \right)\)	\ (0^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00694	\ (20^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00537	\ (40^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00308	\ (60^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00227	\ (80^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00138	\ (100^\ texto {o}\ texto {C}\)” style="vertical-align:middle; ">0.00

Factores que afectan a la solubilidad

La solubilidad de un soluto sólido o líquido en un disolvente se ve afectada por la temperatura, mientras que la solubilidad de un soluto gaseoso se ve afectada tanto por la temperatura como por la presión del gas. Examinaremos los efectos de la temperatura y la presión por separado.

Temperatura

La solubilidad de la mayoría de las sustancias sólidas aumenta a medida que aumenta la temperatura. Sin embargo, el efecto es difícil de predecir y varía ampliamente de un soluto a otro. La dependencia de la temperatura de la solubilidad se puede visualizar con la ayuda de una curva de solubilidad, que es una gráfica de la solubilidad vs. temperatura. Examine las curvas de solubilidad mostradas (véase la figura a continuación).

Observe cómo la dependencia de la temperatura de\(\ce{NaCl}\) es bastante plana, lo que significa que un aumento en la temperatura tiene relativamente poco efecto sobre la solubilidad de\(\ce{NaCl}\). La curva para\(\ce{KNO_3}\), por otro lado, es muy pronunciada; un aumento en la temperatura aumenta drásticamente la solubilidad de\(\ce{KNO_3}\).

Varias sustancias listadas en la gráfica -\(\ce{HCl}\),\(\ce{NH_3}\), y\(\ce{SO_2}\) - tienen solubilidades que disminuyen a medida que aumenta la temperatura. Estas sustancias son todos los gases en el rango de temperatura indicado cuando están a presión estándar. Cuando se calienta un disolvente con un gas disuelto en él, aumenta la energía cinética tanto del disolvente como del soluto. A medida que aumenta la energía cinética del soluto gaseoso, sus moléculas tienen una mayor tendencia a escapar de la atracción de las moléculas de disolvente y regresar a la fase gaseosa. Como resultado, la solubilidad de un gas disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto tiene algunas consecuencias ambientales profundas. Las plantas industriales situadas cerca de cuerpos de agua a menudo usan esa agua como refrigerante, devolviendo el agua más cálida al lago o río. Esto aumenta la temperatura general del agua, lo que disminuye la cantidad de oxígeno disuelto, afectando la supervivencia de los peces y otros organismos.

Las curvas de solubilidad se pueden usar para determinar si una solución dada es saturada o insaturada. Supongamos que\(80 \: \text{g}\) de\(\ce{KNO_3}\) se agrega a\(100 \: \text{g}\) de agua en\(30^\text{o} \text{C}\). De acuerdo con la curva de solubilidad, aproximadamente\(48 \: \text{g}\) de\(\ce{KNO_3}\) se disolverá en\(30^\text{o} \text{C}\). Esto quiere decir que la solución estará saturada, ya que\(48 \: \text{g}\) es menor que\(80 \: \text{g}\). También podemos determinar que habrá\(80 - 48 = 32 \: \text{g}\) de quedar sin disolver\(\ce{KNO_3}\) en el fondo del contenedor. Ahora, supongamos que esta solución saturada se calienta a\(60^\text{o} \text{C}\). Según la curva, la solubilidad de\(\ce{KNO_3}\) at\(60^\text{o} \text{C}\) es aproximadamente\(107 \ \text{g}\) la solución ahora está insaturada, ya que todavía contiene sólo el original\(80 \: \text{g}\) de soluto, todo lo cual ahora está disuelto. Entonces, supongamos que la solución se enfría todo el camino hasta\(0^\text{o} \text{C}\). La solubilidad en\(0^\text{o} \text{C}\) es aproximadamente\(14 \: \text{g}\), es decir, la\(80 - 14 = 66 \: \text{g}\) de la\(\ce{KNO_3}\) voluntad recristalizar.

Algunos solutos, como el acetato de sodio, no recristalizan fácilmente. Supongamos que se prepara una solución exactamente saturada de acetato de sodio en\(50^\text{o} \text{C}\). A medida que se enfría de nuevo a temperatura ambiente, los cristales no aparecen inmediatamente en la solución, aunque la solubilidad del acetato de sodio es menor a temperatura ambiente. Una solución supersaturada es una solución que contiene más de la cantidad máxima de soluto que es capaz de disolverse a una temperatura dada. La recristalización del exceso de soluto disuelto es una solución supersaturada que puede iniciarse mediante la adición de un pequeño cristal de soluto, llamado cristal semilla. El cristal semilla proporciona un sitio de nucleación en el que el exceso de cristales disueltos puede comenzar a crecer. La recristalización a partir de una solución sobresaturada suele ser muy rápida.

Presión

La presión tiene muy poco efecto sobre la solubilidad de sólidos o líquidos, pero tiene un efecto significativo en la solubilidad de los gases. La solubilidad del gas aumenta a medida que aumenta la presión parcial de un gas por encima del líquido. Supongamos que un cierto volumen de agua está en un recipiente cerrado con el espacio sobre él ocupado por gas dióxido de carbono a presión estándar. Algunas de las\(\ce{CO_2}\) moléculas entran en contacto con la superficie del agua y se disuelven en el líquido. Ahora supongamos que\(\ce{CO_2}\) se agrega más al espacio por encima del contenedor, provocando un aumento de presión. Ahora hay más\(\ce{CO_2}\) moléculas en contacto con el agua, por lo que más de ellas se disuelven. Así, la solubilidad aumenta a medida que aumenta la presión. Al igual que con un sólido, el\(\ce{CO_2}\) que está sin disolver alcanza un equilibrio con el disuelto\(\ce{CO_2}\), representado por la siguiente ecuación.

\[\ce{CO_2} \left( g \right) \rightleftharpoons \ce{CO_2} \left( aq \right)\]

En equilibrio, la velocidad de\(\ce{CO_2}\) disolución gaseosa es igual a la tasa de disolución\(\ce{CO_2}\) que sale de la solución.

Cuando se envasan bebidas carbonatadas, se hacen a alta\(\ce{CO_2}\) presión para que una gran cantidad de dióxido de carbono se disuelva en el líquido. Cuando se abre la botella, el equilibrio se interrumpe debido a que disminuye la\(\ce{CO_2}\) presión por encima del líquido. Inmediatamente, las burbujas salen\(\ce{CO_2}\) rápidamente de la solución y escapan por la parte superior de la botella abierta. La cantidad de disueltos\(\ce{CO_2}\) disminuye. Si la botella se deja abierta por un período prolongado de tiempo, la bebida se vuelve “plana” a medida que más y más\(\ce{CO_2}\) sale del líquido.

La relación entre la solubilidad del gas y la presión es descrita por la ley de Henry, que lleva el nombre del químico inglés William Henry (1774 - 1836). La ley de Henry establece que la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas por encima del líquido.

Recursos Suplementarios

Solubilidad de las Cosas: http://www.solubilityofthings.com/
Curvas de Solubilidad: http://www.kentchemistry.com/links/K...lityCurves.htm
Ley de Henry: http://www.kentchemistry.com/links/K... /HenrysLaw.htm

Colaboradores y Atribuciones

CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)